열역학 제2법칙의 두 서술 Kelvin-Planck Statement Clausius Statement

열역학 제2법칙의 두 서술 

Kelvin-Planck Statement Clausius Statement

1. 켈빈-플랑크 서술 Kelvin-Planck statement (열기관 관련 서술)

켈빈-플랑크 서술 Kelvin-Planck statement 위반

• 어떠한 기구도 사이클을 이루어 작동하면서 하나의 열저장조로부터만 열을 받아 정미일을 생산해 내는 것은 불가능하다.

즉

열효율이 100%인 열기관은 없다.

원동소(power plant)가 작동되기 위해서 작동유체는 가열로뿐만 아니라 주위 환경과도 열교환이 있어야 한다.

100%의 열효율이 불가능한 것은 이상적인 조건이든 실제 조건이든 모두에 적용된다. 즉 마찰이나 다른 손실(비가역성) 때문이 아니다.

2. 클라우지우스 서술 Clausius statement (냉동기나 열펌프 관련 서술)

클라우지우스 서술 Clausius statement 위반

• 사이클로 작동하면서 낮은 온도의 물체로부터 그보다 높은 온도의 물체로 열이 전달되는 것 이외에 주위에 아무런 영향을 일으키지 않는 장치를 만드는 것은 불가능하다.

즉

압축기가 외부 전원에 의하여 전기모터로 구동되지 않는다면 냉장고가 작동되지 않는다. (일 없이 냉동기를 작동시킬 수 없다.)

3. 고찰 

• 켈빈-플랑크 서술 Kelvin-Planck statement과 클라우지우스 서술 Clausius statement은 모두 부정적인 서술이며 이것은 증명될 수 없다.

다른 물리법칙처럼 열역학 제2법칙은 실험적인 관찰에 근거를 두고 있다.

아직까지 열역학 제2법칙을 위반하는 실험이 수행된 적이 없다.

따라서 열역학 제2법칙의 근거는 실험에 의한 검증이다. (열역학 제1법칙과 동일)

• 두 서술이 동등하다.

• 열역학 제2법칙을 위반하는 제2종 영구운동기계를 만드는 것이 불가능하다.

• 두 서술은 열역학 제2법칙의 일반적인 진술로서 열역학 제2법칙의 정량적 해석을 위한 카르노 정리 Carnnot principles, 클라우지우스 부등식 Clausius inequality 및 엔트로피 정의의 기초를 제공한다.

4. 두 서술의 상등성 equivalence of Kelvin-Planck statement and Clausius statement

한 서술이 사실이 아닐 때 다른 서술도 사실이 아니며 그 역도 성립한다.

 

켈빈-플랑크 서술 Kelvin-Planck statement을 위반하는 장치는 모두 클라우지우스 서술 Clausius statement을 위반하며 그 역도 성립하므로 두 서술은 결과적으로 같다.

켈빈-플랑크 서술 Kelvin-Planck statement의 역       =>    클라우지우스 서술 Clausius statement의 역

클라우지우스 서술 Clausius statement의 역        =>    켈빈-플랑크 서술 Kelvin-Planck statement의 역

따라서 두 서술은 동일한 서술이다.