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소방설비기사 소방유체역학 · 열역학 제2법칙

Second Law of Thermodynamics

제2법칙은 에너지가 바뀌는 데에 정해진 방향이 있다는 법칙이다. 클라우지우스와 켈빈-플랑크의 두 표현, 카르노 사이클의 최대 효율, 엔트로피 증가가 모두 같은 내용을 다른 각도에서 말한다. 에너지 총량만 따지는 제1법칙으로는 걸러지지 않는 불가능한 기관을 이 법칙이 가려내요. 위 그림은 열 이동 방향 슬라이더로 고온 → 저온의 자연 방향과 일을 넣는 역방향이 바뀌고, 아래 T-S 선도는 고온 T_H · 저온 T_L 슬라이더에 따라 카르노 사이클 직사각형과 효율이 바뀌어요.

제2법칙의 뼈대: 방향

💡 제1법칙은 「양」, 제2법칙은 「방향」
①제1법칙: 에너지 총량은 보존된다(얼마나)
②제2법칙: 에너지가 바뀌는 데에는 방향이 있다(어디로)
③뜨거운 커피는 식지만, 식은 커피가 저절로 뜨거워지지는 않아요
0 저절로 가는 방향

클라우지우스와 켈빈-플랑크

📜 제2법칙의 두 가지 표현
①클라우지우스: 열은 저온에서 고온으로 저절로 옮겨 가지 않는다
②켈빈-플랑크: 열원 하나에서 받은 열을 전부 일로 바꾸는 기관은 없다
③두 표현은 같은 내용이라 하나가 틀리면 다른 것도 틀려요
클라우지우스 부등식
∮ δQT ≤ 0
사이클에서 열 ÷ 온도의 적분 ≤ 0(등호는 가역 과정)

카르노 사이클과 최대 효율

800 K
300 K
카르노 효율
η = 1 - TLTH
모든 열기관 효율의 상한. TH 가 높거나 TL 이 낮을수록 효율이 커진다
💡 카르노가 중요한 까닭
①카르노 사이클은 같은 온도 범위에서 효율이 가장 높다
②실제 기관은 비가역 손실 때문에 반드시 카르노보다 낮다
③효율을 높이려면 고온원 온도를 올리거나 저온원 온도를 내려요

엔트로피: 무질서의 척도

엔트로피 정의
dS ≥ δQT
등호는 가역 과정, 부등호는 비가역 과정(실제 현상)
💡 엔트로피 증가 법칙
①고립계의 엔트로피는 늘거나 그대로이고 줄지 않는다
②마찰 · 열전달 · 섞임 같은 비가역 과정은 반드시 엔트로피를 늘린다
③가역 과정은 이상적인 극한이라 실제로는 없다
④화재는 대표적인 비가역 현상이라 엔트로피가 크게 늘어요

총정리

카르노 효율
η = 1 - TLTH
열기관 효율의 이론적 상한(절대 온도 K 를 씀)
엔트로피 부등식
dS ≥ δQT
비가역 과정은 부등호, 가역 과정은 등호
🎯 시험에서 볼 자리 다섯
①카르노 효율 η = 1 − T_L/T_H 에는 반드시 절대 온도(K)를 넣는다
②클라우지우스: 저온 → 고온 자연 이동 불가 / 켈빈-플랑크: 열을 100% 일로 바꾸기 불가
③엔트로피는 고립계에서 늘기만 한다(제2법칙)
④가역 과정은 이상적 극한, 실제는 모두 비가역
⑤카르노 사이클: 등온 둘 + 단열 둘로 효율이 가장 높아요
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