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