열역학 법칙(1,2법칙)에 따른 환경문제의 해석

열역학 법칙(1,2법칙)에 따른 환경문제의 해석

1. 열역학 제 1법칙

1) 정의

∙ 에너지는 그 형태를 달리하면서 변화하지만, 그 양은 전체적으로 일정하다는 에너지 보전법칙

 

∙ 물리학에서의 에너지 보존 법칙(-保存法則, 영어: law of conservation of energy)은 외계에 접촉이 없을 때 고립계에서 에너지의 총합은 일정하다는 것으로 물리학의 바탕이 되는 법칙 중 하나다. 가끔 에너지 보존의 법칙이라고도 불린다. 이 법칙에 따르면 에너지는 그 형태를 바꾸거나 다른 곳으로 전달할 수 있을 뿐 생성되거나 사라질 수 없다. 항상 일정하게 유지된다는 것이다. 롤러코스터에서 중력에 의한 퍼텐셜에너지가 운동에너지로 변환되거나 화약의 화학에너지가 총알의 운동에너지로 변환되는 것이 그 예이다. 20세기, 에너지 보존 법칙은 알버트 아인슈타인의 특수 상대성이론을 통해 질량-에너지 보존 법칙으로 확장되었다. 특수 상대성이론에 따르면 질량은 에너지의 한 종류이고 기준 관성계에 따라 측정되는 값이 다를 수는 있지만 같은 관성계에서 시간의 변화에 대해서 불변이다. 열역학에 있어서의 에너지 보존 법칙은 열역학 제1법칙(熱力學第一法則, 영어: the first law of thermodynamics)이라고 불린다. 

 

2) 환경문제의 적용

∙ 자연자원으로 추출된 물질과 에너지는 궁극적으로 동일한 양의 폐기물로 전환된다.

 

3) 방안

 ① 자연자원의 사용량을 감소

 ② 자연자원의 사용량을 유지하되, 오염처리기술을 활용한 저감 또는 재활용기술을 적용

2. 열역학 제 2법칙

1) 정의

∙ 에너지의 형태가 전환되는 과정에서 무질서도(사용할 수 없는 양) 즉 entropy가 증가되는 현상

 

∙ 물리학에서 열역학 제2법칙(second law of thermodynamics)은 열적으로 고립된 계에서 매 시각마다 계의 거시상태의 엔트로피를 고려하였을 때, 엔트로피가 더 작은 거시상태로는 진행하지 않는다는 법칙이다. 이 법칙을 통해 자연적인 과정의 비가역성과 미래와 과거 사이의 비대칭성을 설명한다. 하지만 엔트로피가 감소된 거시상태가 될 확률은 극히 낮을 뿐 불가능은 아니다.
∙ 열역학 2법칙을 통해 차가운 부분에 한 일이 없을 때, 열이 차가운 부분에서 뜨거운 부분으로 흐르지 않는 이유와 열원(reservoir)에서 열에너지가 모두 일로 전환될 때, 다른 추가적인 효과를 동반하지 않는 순환과정(cycle)은 존재하지 않는다는 점에 대해 설명할 수 있다. 
∙ 열역학 제2법칙의 모순처럼, 고립계가 아닌 계의 엔트로피는 감소하는 것으로 볼 수도 있다. 예를 들어 에어컨은 방 안의 공기를 차갑게 해주어서 공기의 엔트로피를 감소시킨다. 하지만 방 안으로부터 방출되거나 에어컨이 작동함에 따라 흡수되는 열은 항상 그 계의 공기의 엔트로피의 감소보다 많은 양의 엔트로피를 생성한다. 따라서 전체 계의 총 엔트로피는 열역학 제2법칙에 의하듯 증가한다. 
∙ 역학에서 열역학의 기본 관계를 사용하여 표현된 제2법칙은 계의 일을 할 수 있는 능력의 한계를 나타낸다. 또한 열역학 2법칙에 따르면 총 일의 생산에 있어, 열의 이동은 뜨거운 열원에서 차가운 열원으로 향하므로 영구 기관은 존재할 수 없다. 
∙ 열역학 제1법칙이 과정 전, 그리고 후의 에너지를 양적(量的)으로 규제하는 반면, 열역학 제2법칙은 에너지가 흐르는 방향을 규제한다. 

 

2) 환경문제의 적용

∙ 인간활동으로 인하여 무가치한 에너지, 즉, 엔트로피가 증가되어 폐기물로 변화된다

 

3) 방안

 ① 재생불가능한 자원의 사용을 저감한다(화석연료의 사용 저감)

 ② 신재생에너지(태양열, 수력, 풍력)의 사용으로 전환함으로 인해 엔트로피 증가를 없앤다.