열역학 2법칙: 열에는 방향이 있다
1법칙은 에너지를 맞춰 줄 뿐 과정이 어느 쪽으로 갈지는 말해 주지 않는데, 2법칙이 그 빈자리를 채운다. 열은 저절로 뜨거운 데서 찬 데로 흐르고, 어떤 기관도 열을 전부 일로 바꾸지 못하며, 실제 과정은 한 방향으로만 진행돼요.
왼쪽 블록의 온도를 끌어 보면 열은 늘 뜨거운 쪽에서 찬 쪽으로 흐르고 저절로 반대로 가는 일은 없다. 그래서 뜨거운 커피는 늘 방 온도로 식어 갈 뿐, 저절로 방의 온기를 빨아들여 다시 뜨거워지는 일은 결코 일어나지 않아요.
켈빈-플랑크 서술은 어떤 기관도 흡열을 전부 일로 바꿀 수 없다는 것이다. QC를 반드시 버려야 하니 η < 1이에요. 그래서 바다에는 막대한 열에너지가 담겨 있어도 배가 바닷물을 식혀 그 열만으로 스스로 나아가는 일은 불가능한데, 열원이 하나뿐인 기관은 2법칙이 막기 때문이다. 불가능한 완전기관과 실제 기관을 바꿔 보면 차이가 보여요.
클라우지우스 서술은 열이 스스로 찬 곳에서 뜨거운 곳으로 가지 못한다는 것이다. 냉장고는 해내지만 오직 일 W를 들여서예요. 열펌프는 똑같은 원리로 약간의 전기 일을 들여 찬 바깥 공기에서 열을 그러모아 집 안으로 나르는데, 들인 일보다 더 많은 열을 방으로 보내니 전기난로보다 효율이 좋다. 금지된 흐름과 실제 냉장고를 바꿔 보면 그 대비가 뚜렷해요.
기체를 빈 절반에 풀면 상자를 가득 채우며 퍼지지만, 저절로 다시 한쪽에 모이는 일은 결코 없다. 끌어서 퍼지는 모습을 보면 실제 과정에 시간의 방향이 있다는 게 드러나요. 사실 1법칙은 기체가 다시 모이는 걸 막지 않고 분자 하나하나의 충돌은 시간을 뒤집어도 성립한다. 그런데 퍼진 배열이 압도적으로 더 많은 경우의 수를 가져 되모임은 그저 확률적으로 일어나지 않을 뿐이다.
같은 법칙이 세 얼굴을 쓴다. 열은 내리막으로 흐르고, 기관은 열을 얼마간 버리며, 냉장고는 열을 끌어올리려 일이 필요한데 셋을 바꿔 보면 한 뿌리라는 게 보여요. 다음 장에서는 이 한계를 카르노 순환으로 정확히 못 박고, 그다음 장에서 그 이름을 붙인다. 엔트로피죠. 세 얼굴은 모두 세상 전체의 엔트로피가 줄어드는 걸 금지하는 같은 법칙이고, 엔트로피가 바로 그 셋을 한꺼번에 재는 하나의 장부예요.