열역학 제3법칙은 무엇인가?

thermodynamics

 

열역학 제3법칙은 온도가 절대 영도에 근접함에 따라 시스템의 거동에 관한 것이다. 브리태니커에 따르면, 그것은 결정체의 가장 낮은 온도에서 열과 엔트로피를 연관시킨다.

 

이것은 확정적이고 대칭적인 패턴으로 배열된 원자들로 구성된 고체 물질을 의미한다. 열역학 제3법칙에는 "완벽한 수정의 엔트로피는 수정의 온도가 절대 0(0K)과 같을 때 0"이라고 명시되어 있다.

 

퍼듀대학에 따르면, "정정은 반드시 완벽해야 한다. 그렇지 않으면 어떤 내재적인 장애가 있을 것이다. 그것은 또한 0K에 있어야 한다. 그렇지 않으면 수정 안에서 열 운동이 일어나 장애로 이어질 것이다."

 

미주리 주립대학의 물리학과 교수인 시아발 미트라(Siabal Mitra)는 이 법의 또 다른 함의를 제공한다.

 

미트라는 라이브 사이언스와의 인터뷰에서 "제3법 중 하나는 절대 0에 도달하기 위해서는 무한한 수의 스텝이 필요하다고 말하는데, 이는 절대 도달하지 못한다는 것을 의미한다"고 말했다. 절대 영도에 도달할 수 있다면 제2법칙에 위배되는 것인데, 절대 영도에 열제거원이 있다면 100% 효율이 높은 기계를 만들 수 있기 때문이다.

 

이론적으로는 모든 격자공간이 동일한 원자에 의해 점유되는 완벽한 결정체를 기를 수 있을 것이다. 그러나 절대 영도 달성은 불가능하다는 것이 대체적인 견해다. 따라서 모든 물질은 일부 열 에너지가 존재하기 때문에 최소한 엔트로피를 함유하고 있다.

 

열역학 제3법칙의 역사

 

브리태니커에 따르면 열역학 제3법칙은 1906년 독일의 화학자 겸 물리학자인 발터 네른스트에 의해 처음 제정되었다. 마틴 베일린은 저서 '열역학 조사'(A Survey of Thermodynamics, American Institute of Physical, 1994)에서 네른스트의 제3법칙의 진술을 인용, "어떤 절차도 한정된 수의 스텝에서 등심 T = 0으로 이어지는 것은 불가능하다"고 밝혔다.

 

이것은 본질적으로 절대 0의 온도를 진공에서 빛 c의 속도를 결코 초과할 수 없는 것과 같은 방법으로 달성할 수 없는 것으로 설정한다. 모닝사이드 대학에 따르면 이론적 상태와 실험은 어떤 것이 아무리 빨리 움직인다 하더라도 항상 더 빨리 가도록 만들 수 있지만 결코 빛의 속도에 도달할 수 없다는 것을 보여주었다고 한다.

 

마찬가지로, 시스템이 아무리 차가워도 항상 더 차갑게 만들 수 있지만 절대 0에 도달할 수는 없다.

 

앤 루니는 저서 '물리학 이야기'(Arcturus, 2012년)에서 "열역학 제3법칙은 어떤 온도도 떨어질 수 없는 - 절대 영도라고 알려진 - 그 이하의 최소 온도의 개념을 요구한다"고 썼다.

 

그녀는 이어 "로버트 보일은 1665년 '추위에 닿는 새로운 실험과 관찰'[Crook Publishing]에서 가능한 최소 온도의 개념을 처음 논의했는데, 이 개념을 '최소 프리지덤'이라고 언급했다고 말했다.

 

이스라엘 네게브 벤구리온 대학의 제이미 위스니아크에 따르면, 절대 영도는 1779년 요한 하인리히 램버트에 의해 합리적인 정밀도로 처음 계산된 것으로 여겨진다. 램버트는 기체의 압력과 온도 사이의 선형 관계에 근거하여 이 계산을 했다. 가스가 밀폐된 공간에서 가열되면 압력이 증가한다.

 

기체의 온도는 기체 내 분자의 평균 속도를 측정하는 척도이기 때문이다. 그것이 뜨거워질수록 분자는 더 빨리 움직이며, 그들이 용기의 벽과 충돌할 때 가하는 압력은 더 커진다. 램버트는 기체의 온도를 절대 영도로 끌어올릴 수 있다면 기체 분자의 움직임이 완전히 정지되어 더 이상 실내의 벽에 어떤 압력도 가할 수 없다고 가정하는 것이 타당했다.

 

x(수평)축에 온도가 있고 y(수직)축에 압력이 있는 그래프에 기체의 온도-압력 관계를 표시한다면 점들이 위쪽으로 기울어진 직선을 형성해 온도와 압력 사이의 선형 관계를 나타낸다고 플로리다 주립대는 밝혔다.

 

그런 다음 라인을 뒤로 확장하고 선이 x축과 교차하는 온도, 즉 y = 0을 나타내는 온도를 읽는 것이 다소 간단해야 한다. 브리태니커에 따르면 램버트는 이 기법을 사용하여 절대 영도를 영하 270도(화씨 454도)로 계산했는데, 이는 현대 허용치인 영하 273.15도(화씨 459.67도)에 현저히 근접했다고 한다.

 

켈빈 온도 척도

 

절대 영점 개념과 가장 관련이 있는 사람은 제1대 켈빈 남작 윌리엄 톰슨이다. 그의 이름을 가진 온도 단위인 켈빈(K)은 전 세계 과학자들이 가장 많이 사용하는 단위다. 켈빈 척도의 온도 증가는 섭씨 척도와 같은 크기지만 물의 동결점이 아닌 절대 영점에서 시작되기 때문에 수학 계산에 직접 사용할 수 있으며, 특히 곱셈과 나눗셈에 사용할 수 있다.

 

예를 들어, 100K는 실제로 50K보다 두 배 더 뜨겁다. 100K에서 밀폐된 가스 샘플도 열 에너지가 두 배, 50K에서보다 두 배 더 많은 압력을 가지고 있다. 이러한 계산은 섭씨 또는 화씨 눈금을 사용하여 수행할 수 없다. 즉, 100C는 50C보다 두 배 뜨겁지 않고 100F는 50F보다 두 배 뜨겁지 않다.

 

제3법의 함의

 

절대 0의 온도는 물리적으로 도달할 수 없기 때문에, 제3법은 다음과 같이 현실 세계에 적용하기 위해 재작성될 수 있다. 완벽한 결정의 엔트로피는 온도가 절대 0에 가까워질 때 0에 접근한다. 우리는 완벽한 결정의 엔트로피가 절대 0에 도달한다는 실험 데이터로부터 추론할 수 있지만, 결코 경험적으로 이것을 증명할 수는 없다.

 

"초저온 연구 분야가 있는데, 매번 돌아설 때마다 신기록이 최저다. 데이비드 맥키 미주리주립대 물리학과 교수는 "요즘 나노켈빈(nK = 10^-9K) 온도는 상당히 쉽게 얻을 수 있고, 이제는 모두가 피코켈빈(pK = 10^-12K)을 연구하고 있다"고 말했다.

 

이 글을 기점으로 2021년 독일 브레멘대 응용우주기술센터(Center for Applied Space Technology)와 마이크로중력(ZARM) 팀이 기록적인 저온을 달성했다. 그들은 진공실 안의 자기장에 약 10만 루비듐 원자의 구름 한 구름을 가두고, 그 원자들이 중력에 의해 제한되지 않고 떠다니게 하고 분자의 움직임을 늦추도록 하기 위해 그 방을 드롭 타워 아래로 내던졌다. 이 구름은 기록적인 38조 피코켈빈에 도달했다.

 

절대 0의 온도는 자연에 존재하지 않고, 과학자들은 그것을 실험실에서 달성할 수 없지만, 절대 0의 개념은 온도와 엔트로피를 포함하는 계산에 매우 중요하다. 많은 측정은 어떤 시작점에 대한 관계를 의미한다. 누군가 거리를 제공할 때, 그들은 무엇을 물어봐야 하는가?

 

그들이 시간을 줄 때, 그들은 물어봐야 한다, 언제 부터? 온도 눈금에서 0 값을 정의하면 해당 눈금에서 양수 값에 의미를 부여한다. 온도가 100K로 표기되면 절대영도보다 100K 이상 높은 것으로 절대영도보다 2배 이상 높고 200K보다 절반 이상 높은 것을 의미한다.

 

처음 읽었을 때, 제3법칙은 다소 단순하고 명백해 보인다. 그러나 열과 열 에너지의 성질을 충분히 설명하는 길고 결과적인 이야기의 마지막 시기 역할을 한다.