역사 속 영구기관 8가지를 직접 돌려 보고, 어디서 에너지 보존 법칙(제1법칙)이나 엔트로피 증가 법칙(제2법칙)에 걸리는지 확인해 봅시다.
외부에서 에너지를 받지 않고도 계속 일을 한다. 넣은 에너지보다 더 많은 에너지를 내놓는다.
✗ 열역학 제1법칙(에너지 보존) 위반
Q = ΔU + W, 한 사이클 뒤 제자리(ΔU = 0)이면 W = Q. 받은 열 Q = 0이면 일 W도 0.
예: 불균형 바퀴, 바스카라 바퀴, 자석 경사로, 자기 순환 물레방아, 부력 체인
에너지는 보존하지만, 하나의 열원(바다·공기)에서 받은 열을 버리는 것 없이 모두 일로 바꾼다.
✗ 열역학 제2법칙(엔트로피 증가) 위반
켈빈–플랑크 서술: 한 열원에서 열을 받아 전부 일로 바꾸는 순환 기관은 없다. e = 1 − Q₂/Q₁ < 1
예: 바닷물 엔진(제로모터), 맥스웰의 도깨비, 파인만 래칫
마찰과 저항이 전혀 없어 한번 움직이면 영원히 운동만 계속하는 장치를 가리키기도 한다.
법칙 위반은 아님, 그러나 일을 꺼낼 수 없음
초전도 고리의 전류, 행성의 공전처럼 운동은 계속되지만, 일을 꺼내는 순간 그만큼 에너지가 줄어 결국 멈춘다. 시뮬레이션에서 마찰을 0으로 해 보면 확인할 수 있다.
| 오개념 | 바른 개념 |
|---|---|
| "자석은 힘이 계속 나오니 무한한 에너지원이다." | 자기장은 위치에너지를 저장할 뿐이다. 자석 배치를 아무리 비틀어도 한 바퀴 돌아 제자리에 오면 자기력이 한 일은 0이다. |
| "마찰만 없애면 영구기관이 된다." | 마찰이 0이면 운동은 계속되지만(제3종) 에너지가 늘지는 않는다. 일을 꺼내는 순간 멈춘다. |
| "지레 팔이 긴 쪽이 항상 이긴다." | 팔이 긴 쪽은 추 개수가 적고, 짧은 쪽은 추가 많다. 토크의 합을 계산하면 정지 위치에서 정확히 0이다. |
| "에너지가 보존되기만 하면 가능하다." | 바다의 열처럼 에너지가 충분해도, 더 차가운 곳이 없으면 열을 일로 바꿀 수 없다(제2법칙). |
| "정보는 물리적인 것이 아니다." | 측정한 정보를 기억하고 지우는 것도 물리 과정이다. 1비트를 지울 때 최소 kBT ln 2의 열이 나온다. |
| "분자 모터는 열운동만으로 돈다." | 생체 분자 모터는 ATP 같은 화학 에너지를 소비해야 한쪽 방향으로 움직인다. |
한 사이클 동안 열기관이 고열원에서 받은 열 QH, 한 일 W, 저열원으로 버린 열 QL이 얼마라고 주장하는지 적어 넣으면, 두 법칙으로 가능 여부를 판정한다.
입자 수준에서 열기관을 보고 싶다면 카르노 열기관과 입자 운동의 ②번 탭에서 같은 판정을 움직이는 그림으로 볼 수 있다. 참고: Halliday 『Fundamentals of Physics』 20장, Schroeder 『Thermal Physics』 4.1절.