제1종영구기관과 제2종영구기관은 분명히 다릅니다.

[주남식]

열역학제1법칙을 위배하는 열기관이 제1종영구기관이며

열역학제2법칙을 위배하는 열기관이 제2종영구기관입니다.

열역학제1법칙과 제2법칙에 관한 종래의 자료들을 자세히 보시기 바랍니다.

공기로부터 얻어낸 일(에너지)은 사용후에 최종적으로는 열에너지로 바뀌어 공기중으로 되돌아가기 때문에 공기엔진의 사용으로 대기전체의 온도가 하강하거니 상승할 이유는 전혀 없습니다.

따라서 석유로 대기를 데울 필요가 없습니다.

공기엔진은 에너지를 창출하거나 소멸시키는 장치인 제1종연구기관이 아닙니다.

화석연료나 원자력 등이 에너지를 공기중에 버릴 때에 발생하는 지구온난화 현상을 공기엔진의 사용으로 멈추게 할 수 있습니다.

물론 화석연료나 핵연료가 내뿜는 공해물질도 공기엔진은 배출하지 않습니다.

같은 온도의 물은 공기보다 에너지밀도가 높습니다.

따라서 물을 얻을 수 있는 강이나 바다에서는 물엔진이 더욱 경제적입니다.

http://www.koscinet.com/content/c040/mstory/19.htm

열역학 제1법칙

 "물체를 어떤 정해진 상태에서 다른 정해진 상태로 옮기기 위해 그 물체에 가해야 하는 열량 Q 과 일 W 의 합은 일정하다."를 열역학 제1법칙이라 부른다. 다시 말해 최초 상태 a 와 최후 상태 b 가 정해지면 Q + W 는 과정에 관계 없이 일정하다. 물론 물체가 열량을 방출하는 경우나 물체가 외부에 일을 하는 경우 각각 Q 나 W 가 (-)값을 취한다. 제1법칙을 식으로 나타내면

đQ + đW = dE

이다. 여기서 đ 는 상하한이 정해지더라도 과정에 따라 적분값이 변하는 경로함수의 미분을 의미한다. 그리고 E 는 물체가 갖는 내부 에너지를 의미하며 물체의 상태에 따라 결정된다. 외부에서 물체에 한 일의 크기는 그 물체와 외부 사이에 존재하는 압력 P 과 표면적소 dA 의 곱에 의해 계산되는 힘 d F 과 변위 ds 의 내적으로 구해진다. 즉,

đW = d Fㆍds = -PdAㆍds = -PdV

이다. 여기서 (-)가 들어간 이유는 면적소 dA의 방향은 외부를 향하는데 힘 d F의 방향은 내부를 향하기 때문이다.
 우리가 여기서 더 생각해 볼 수 있는 새로운 물리량은

H = E + PV

로 정의되는 엔탈피이다. 정압 변화의 경우

dH = dE + PdV

가 되어 dH = dQ 가 되어 엔탈피 변화량이 곧 열량이 되게 된다. 정확한 엔탈피와 열량 간의 관계는

dH = dQ + VdP

이다. 이는 엔탈피 정의식을 전미분한 식과 열역학 제1법칙을 비교하면 쉽게 유도할 수 있다.
 열역학 제1법칙은 에너지 보존 법칙의 한가지 표현이라 할 수 있다. 만약 열역학 제1법칙이 성립하지 않는 과정이 존재한다면 그 과정을 반복하는 것만으로도 에너지를 창출해 낼 수 있다. 이는 무에서 에너지를 만들어 내는 제1종 영구기관의 존재를 의미하는데 물론 아직까지 1종 영구기관은 발명되지 못했다. 따라서 열역학 제1법칙은 경험적인 법칙으로 인정되고 있고 열역학의 기본 전제가 되고 있다. 1법칙의 다른 표현으로 제1종 영구기관은 존재하지 않는다가 있다. 제1법칙은 19세기 중엽 럼퍼드, 줄, 마이어, 헬름홀츠 등에 의해 확립되었다.

http://user.chollian.net/~dongsw/text-physics/chap4-5.htm

열역학 제 2법칙

1. 가역 현상과 비가역 현상

용수철 진자나 단진자의 운동에서 추는 일정한 진폭을 가지고 단진동한다. 이때 공기의 저항이나 무시하면 역학적 에너지가 보존되므로 한 주기마다 동일한 에너지 상태의 운동을 반복한다.

이와 같이 외부에 어떤 변화도 남기지 않고 원래의 상태로 되돌아갈 수 있는 변화를 가역 변화(reversible change)라 하고 이런 현상을 가역 현상이라 한다.

그러나 실제로 진자의 운동을 살펴보면 그림과 같이 시간이 지남에 따라 공기의 저항이나 마찰에 의해 진폭이 점점 줄어들고 결국에는 정지한다.

단진자의 감쇠 진동과 같이 외부에 아무런 변화도 남기지 않고 원래의 상태로 되돌아 가지 못하는 변화를 비가역 변화 (irreversible change)라 하고 이러한 현상을 비가역 현상이라 한다.

한 개의 물체 또는 물체계가 어떤 상태 A에서 출발하여 상태 B로 되고 다음에 상태 B에서 처음의 상태 A로 되돌아 올 때 이 변화에 관계한 모든 물체의 상태가 원상태로 되돌아가면서 어떤 변화를 주위에 남기지 않는다면 처음의 변화 A → B를 가역 변화라 하고 처음 상태로 되돌아올 수 없을 때는 A → B의 변화를 비가역 변화라고 한다.

2. 비가역 현상에서도 에너지 보존 법칙은 항상 성립한다.

3. 비가역 현상은 계가 평형 상태에 도달할 때까지 진행한다.

4. 비가역 현상의 예

기체의 자유 팽창, 고온에서 저온체로의 열 이동, 마찰에 의한 열의 발생, 잉크 방울의 확산, 바위의 풍화 작용 등

무질서도

확률이 크다는 것은 그러한 상태로 되는 경우가 많다는 것이므로 자유롭게 변화하도록 하면 확률이 큰 상태로 이동해 간다. 따라서, 확률이 작은 쪽으로 저절로 일어나지 않는다.

기체 분자의 확산에서 분자들이 모두 한쪽 칸에 모여 있는 상태(질서있는 상태)가 나타날 확률보다 양쪽 칸에 고르게 멋대로 흩어져 있는 상태(무질서한 상태)가 나타날 확률이 크다. 따라서, 자연계에서 일어나는 모든 비가역 변화는 스스로 무질서한 상태로 변화가 진행된다. 이것은 보다 질서있는 상태로 되돌아가는 데에는 외부에 변화가 남게 된다는 것을 의미한다.

계의 무질서도를 나타내는 상태량을 엔트로피(entropy)라고 한다.

즉, 어떤 계가 질서가 있으면 엔트로피가 작고 무질서한 상태이면 엔트로피가 크다. 따라서, 비가역 현상은 무질서한 방향으로 진행되므로 엔트로피가 증가하는 방향으로 진행한다고 볼 수 있다.

이와같이 자연계의 모든 현상은 엔트로피가 증가하는 방향으로 진행한다.

열역학 제 2 법칙

1. 열역학 제 2법칙

고립된 계에서 온도가 다른 두 물체를 접촉시켰을 때 저온의 물체에 있는 열에너지가 고온의 물체로 이동해서 저온의 물체는 더 차가워지고 고온의 물체는 더 뜨거워져도 이때 이동하는 에너지의 양만 같다면 열역학 제 1법칙, 즉 에너지의 보존 법칙에는 모순이 되지 않는다. 따라서, 이러한 과정이 가능한 것으로 보이지만 실제로는 이러한 과정은 일어나지 않는다.

열역학 제 1법칙은 에너지가 보존된다는 것을 의미할 뿐이며 열(에너지)의 이동 방향에 대하여 아무런 제한을 가하지 않는다. 그러므로 자연계에는 에너지 보존 법칙과 다른 자연 현상의 비가역 진행 방향을 결정하는 어떤 법칙이 있다고 생각되며 이러한 방향성을 정해 주는 일반적인 표현을 열역학 제2법칙(the second law of thermodynamics)이라 한다.

"어떤 계를 고립시켜서 외부와의 상호 작용을 없애 주었을 때 그 계의 분자나 원자들은 더욱 더 불규칙한 운동, 즉 무질서한 운동을 하게 되는 쪽으로 어떤 현상이 일어나며 그 반대의 현상은 일어나지 않는다."

열역학 제 2법칙은 다음과 같이 여러 가지로 표현되나, 그 내용은 궁극적으로 간다.

① 클라우지우스의 표현

열은 고온의 물체에서 저온으로 물체쪽으로 흘러가고 스스로 저온에서 고온으로 흐르지 않는다.

② 켈빈-플랑크의 표현

일정한 온도의 물체로부터 열을 빼앗아 이것을 모두 일로 바꾸는 순환 과정(장치)은 존재하지 않는다.

③ 제 2종 영구 기관은 존재하지 않는다.

④ 고립된 계의 비가역 변화는 엔트로피가 증가하는 방향으로 진행한다.

● 비가역현상과 엔트로피(entropy)

에너지 보존의 원리 입장에서 보면 무에서 유를 만들어 내는 영구기관은 생각할 수 없다. 그러나 석유를 태웠다고 해서 에너지가 없어지는 것은 아니지만  열역학 제2법칙으로 표현되는 비가역성 때문에 에너지 중에서 유용하게 사용할 수 있는 부분이 감소된다. 이러한 사실은 열역학에서 엔트로피의 증가라는 말로 표현된다.

절대온도 T인 물체에 열량 Q가 주어지면 그 물체의 엔트로피 S는 △S = Q/T (J/K)만큼 증가하고 반대로 Q 만큼 잃어 버리면 △S = - Q/T 만큼 감소한다. 이것은 어떤 열역학적 계에 출입한 열량으로 엔트로피를 정의한 것이다. 지금 온도가 T₁인 물체에서  T₂인 물체로 열량 Q가 이동하면 전체의 엔트로피 변화는 이다.

열의 이동은 엔트로피 변화 △S 가 (+)인 방향으로 일어 난다는 것이 열역학 제 2법칙이다. 즉 Q>0이므로 △S >0이려면 T₂ < T₁ ,즉 열은 고온에서 저온의 물체로 이동하며 역과정은 외부 도움없이 저절로 일어나지 않는다.

2. 제 2 종 영구기관

저열원에서 열을 얻어 움직이는 기관 또는 공급받은 열을 모두 일로 바꾸는 가상적 기관을 말하며 이것은 열역학 제 2법칙에 위배되므로 제작 불가능하다.

열 기 관

1. 열기관

증기기관이나 가솔린 기관과 같이 고온과 저온의 열원사이에서 순환과정을 반복하면서 열에너지를 역학적 에너지로 바꾸는 장치를 열기관(heat engine)이라 한다.

1) 열기관의 예로는 증기기관, 디젤기관, 가솔린 기관, 제트 기관, 증기 터빈 등이 있고 그 동작에는 수증기, 휘발유의 연소 기체와 같은 유체가 이용된다.

2) 한 번 순환하는 사이에 유체가 고온의 열원에서 흡수하는 열량을 Q₁,저온의 열원에 방출하는 열량을 Q₂라고 하면 외부에 하는 일 W는 다음과 같다.

W = Q₁ - Q₂  

2. 이상적인 열기관

열기관의 원리에 대한 연구는 1824년 카르노(N.carnot)에 의해 처음으로 이루어졌다. 카르노는 다음의 그림과 같은 순환과정을 생각하였는데 이것을 카르노의 순환과정이라 한다.

그림과 같은 순환과정에서 유용한 일을 얻기 위해서는 기체가 V₁에서 V₂까지 팽창한 다음 다시 단열적으로 V₂에서 V₃까지 팽창하면서 일을 하게 하면 단열 팽창으로 온도가 T₂ 까지 내려간다. 이 때 온도 T₂인 저열원에 접촉하고 부피 V₃에서 V₄까지 가역적으로 등온 압축하면 Q₂인 열이 저열원으로 이동한다.

부피 V₄에서 다시 단열 압축하여 부피가 V₁이 되면 온도가 T₁으로 상승하여 열기관은 다시 원래의 상태로 되돌아 온다. 기체가 한 순환 과정에서 알짜로 하는 일은 (P-V)그래프에서 면적 ABCD에 해당하며 이 일 W는 W = Q₁ - Q₂ 가 되고 순환 과정을 반복할 때마다 외부에 W만큼의 일을 한다.

이와 같이 가역적으로 동작하는 이상적인 열기관을 카르노의 열기관이라 한다.

1) 카르노의 열기관 : 최대 효율을 갖는 이상적인 열기관이다.

2) 일정한 두 온도사이에서 작동되는 기관 중 카르노 기관보다 효율이 큰 기관은 없고 작동 유체의 성질에 관계없이 효율은 같다.

3. 열기관의 효율

열기관의 한 순환과정에서 흡수한 열량 Q₁에 대한 외부에 한 일 W의 비를 열기관의 효율이라 한다.

열기관의 효율을 e라 하면 다음과 같이 나타낸다.

여기서 Q₂ = 0이면 e =1이 되어 효율은 100%가 된다. 이것은 저열원에 열을 버리지 않고 열에너지를 모두 일로 바꿀 수 없다는 열역학 제2법칙에 모순이 되므로 아무리 좋은 열기관이라도 효율은 100%가 될 수 없다.

1) 열기관의 최대 효율

가역적으로 동작하는 이상적인 열기관인 카르노 기관의 효율은 고열원의 온도 T₁(K)과 저열원의 온도 T₂(K)에 의해서 결정된다.

카르노는 이상 기체를 사용한 가역적 열기관의 연구에서        임을 밝히고 이상적 열기관의 효율은 다음과 같이 나타 내었다.

이 효율을 최대 효율이라 하며 동작 유체에 관계없이 항상 온도 T₁ , T₂만으로 결정되는 일정한 값을 갖는다.

2) 실제 열기관의 효율

실제 열기관의 경우 마찰 등의 비가역적 변화에 의한 손실 때문에 열효율은 최대 효율값보다 작아진다.

따라서 열기관의 효율은 다음과 같이 표시한다.

3) 열효율을 높이기 위해서는 고열원과 저열원의 온도차를 크게 해야 한다.

냉동기

냉동기는 외부에서 일을 하여 저온체에서 고온체로 열을 배출하는 장치이다.

냉동기의 작동 계수 K는

   으로 정의된다.

그림과 같이 낮은 온도 T₂인 저열원에서 Q₂의 열을 빼앗아 높은 온도 T₁인 고온체로 열량 Q₁을 방출하게 된다.

따라서 외부에서 냉동기에 해 준 알짜일은  W = Q₁- Q₂가 된다.

냉동기의 작동 계수 K는 다음과 같이 표시된다.

	bluebirch	흠....일단 직관적으로 보면 이렇습니다. 일단 공기중에서 에너지를 뽑아낸다는 것이 가능하다는 전제를 하겠습니다. 그럼 공기 분자의 미시적 운동에서 에너지를 뽑아낸다는 것은 공기분자의 평균운동에너지를 감소시키는 것입니다.	[09:59:21]
	bluebirch	즉 주위 공기의 온도를 낮춘다는 의미가 됩니다. (그런데 공기의 온도에 따른 에너지효율은 어떻게 되는지요?) 즉 폐쇄된 공간이 냉장고처럼 작동된다는 것입니다.결국 열기관의 효율이 좋을수록 공기의 온도는 삽시간에 내려갑니다.	[10:01:33]
	bluebirch	즉 열기관을 돌리기 위해서는 태양에너지의 지속적인 주입이 필요합니다. 결국 자기 태양광에서 에너지를 얻어쓰는 생명체나 태양전지를 이용한 자동차(또는 다른 어떤)것과 다를게 없다는 것입니다.	[10:02:53]
	bluebirch	그 말인즉, 실제로 제 2종 영구기관은 아니라는 것입니다. 영구기관이란 스스로 에너지를 만들어낼 수 있어야 합니다만 님의 공기엔진은 분자의 운동에너지로부터 얻어쓰니, 반영구기관이 됩니다.	[10:03:54]
	bluebirch	즉 이름이 너무 자극적입니다. 결코 영구기관은 아니란 것이죠. 마치 열역학법칙의 오류를 공기엔진으로 증명했다는 식의 주장으로 밖에 안들립니다. 물론 열역학법칙이 틀렸을 수도 있습니다. 하지만 님의 공기엔진은 그것과는 아무런 관련이 없습니다.	[10:05:22]
	bluebirch	근데 과연 님의 공기엔진이 인정을 받으시려면 효율이 태양전지보다 좋아야겠죠. 그리고 냉장고로 사용할수도 있을 텐데...과연 수력발전보다 효율적일까요? 수력발전은 그냥 물 모아놓았다가 풀어놓기만 하면 엄청난(우주선도 띄워보낼만한)에너지를 내어 놓는데, 그 정도 효율이 안된다면 냉장고로도 못쓰겠고....	[10:08:46]
	bluebirch	어쨌든 님의 제 2종 반영구기관이 완성되면 물리적으론 참 흥리롭겠군요. 완성되신다면 이곳 게시판에 올려주시죠. 이론과 함께...무척 흥미롭겠군요....	[10:10:03]
	bluebirch	참 한가지더...만일 님의 공기엔진이 전국적으로 상용화된다면 겨울에 온도가 너무 낮아져서...외국으로부터 공기를 데울려고 석유를 사와야할지도 모르겠네요...	[10:12:41]

[bluebirch]

근데 일반물리내용을 이렇게 글로 올리신 이유가 뭐죠? 이정도 내용은 그냥 책 안보고 외울수도 있는데요....그리고 영구기관에 대해 여전히 오해를 가지고 계시군요. 물론 님의 말씀처럼 국부적으로 보자면 엔트로피가 감소합니다. 하지만 국부적 엔트로피 감소는 언제 어디서나 볼 수 있는 일이고, 계를 어떻게 선택

[bluebirch]

...새로 글 올렸으니...참고하시길..