열기관: 열을 일로 바꾸는 순환
열기관은 뜨거운 열원에서 열 QH를 받아 일부를 일 W로 바꾸고 나머지 QC를 찬 열원으로 버린다. 순환으로 돌아 매 바퀴 출발점으로 되돌아오니, 알짜 일은 받은 열에서 버린 열을 뺀 만큼이에요.
흡열 중 얼마가 일이 되는지 끌어 보면 나머지가 찬 열원으로 버려지는 게 보인다. 실제 자동차 엔진이나 발전소도 연료 열의 삼분의 일 안팎만 일로 바꾸고, 나머지는 뜨거운 배기와 냉각수로 빠져나가요.
기관은 P-V 평면 위 닫힌 고리를 따라 도는데, 고리가 감싼 넓이가 한 순환의 알짜 일이다. 고리를 시계 방향으로 돌 때만 알짜 일이 양수가 되고, 거꾸로 돌리면 오히려 일을 넣어 줘야 하는 냉동기가 돼요.
한 순환을 돌면 기체가 출발 상태로 되돌아와 내부에너지 변화가 0이라, QH = W + QC가 된다. 내부에너지는 상태만으로 정해지는 양이라 어떤 경로를 거치든 제자리로 돌아오면 그 변화가 반드시 0이에요. 흡열을 일과 배열로 나눠 보면 그 구조가 드러난다.
효율은 η = WQH = 1 - QCQH예요. 효율이 버리는 열 QC와 받는 열 QH의 비에만 달려 있어서, 배열을 줄이는 것이 효율을 높이는 유일한 길이다. 약한 기관과 강한 기관을 바꿔 가며 비교하면 그 차이가 보여요.
세 흐름을 하나씩 강조해 보면 한계가 드러난다. QC로 반드시 열이 빠져나가므로 효율은 늘 1보다 작은데, 왜 그런지는 다음 장의 열역학 2법칙에서 다뤄요. 이렇게 꼭 버려야 하는 QC 때문에 발전소는 강가나 거대한 냉각탑 옆에 서서 쉴 새 없이 폐열을 흘려보낸다.