열역학 법칙

두 패널은 각각 내부가 늘 열평형인 동일한 두 유한 물체를 단열 경계 안에 둔 설명용 모델이다. 두 물체의 열용량은 온도와 무관하게 각각 C=10J/K이고, 처음 온도는 뜨거운 물체 400K와 차가운 물체 200K다. 두 물체 사이에서만 열이 이동하며 외부와의 열교환, 외부 일, 상변화는 없다고 가정한다. 가로축 Q는 뜨거운 물체에서 차가운 물체로 이미 옮겨 간 누적 내부 열전달량이지 시간이 아니다. 왼쪽 패널에서 ΔU뜨거운=−Q, ΔU차가운=+Q이므로 두 변화의 합은 Q가 0J에서 1000J로 늘어도 항상 0J다. 이는 개별 물체의 내부에너지가 변하지 않는다는 뜻이 아니라, 단열된 두 물체를 합친 계의 총에너지가 보존된다는 뜻이다. 오른쪽 패널에서 Th=400−Q/C, Tc=200+Q/C이고, 각 물체의 엔트로피 변화를 상태함수로 계산하면 ΔS전체=C ln(Th/400)+C ln(Tc/200)이다. Q가 0·125·250·375·500·625·750·875·1000J일 때 ΔS전체는 0·0.289·0.532·0.734·0.896·1.020·1.108·1.160·1.178J/K로 증가한다. Q=1000J에서 두 온도는 모두 300K가 되고, 고정된 총에너지 안에서 전체 엔트로피가 최대인 열평형에 이른다. 그래프는 자발적으로 고온에서 저온으로 흐르는 Q=0~1000J 구간만 나타낸다. 평형을 지나 계속 열을 옮기려면 외부 개입이 필요하므로 곡선을 그 너머로 연장하지 않는다. 이 유한 물체 모델은 온도가 일정한 무한 열저장고 모델과 구별해야 한다. 아래 줄의 패들휠 장치 사진은 기계적 일이 열적 내부에너지로 바뀌는 역사적 실험 맥락을 보여 줄 뿐이며, 그래프의 열량·열용량·온도·엔트로피 값은 줄의 패들휠 장치 사진에서 측정한 값이 아니다. 제1법칙의 계 경계 장부와 제2법칙의 변화 방향은 이어지는 도식에서 다시 구분한다.

첫 패널은 점선 계 경계로 열이 들어오고 일이 나가며 계 내부 에너지가 변하는 장부를 그려 제1법칙이 에너지의 양을 맞추는 법칙임을 보여 준다. 둘째 패널은 처음에는 한 물체가 뜨겁고 다른 물체가 차가워 온도 차로 일을 할 여지가 있지만, 시간이 지나 두 온도가 같아지면 합친 총에너지의 양은 같아도 그 차이를 이용할 수 없게 됨을 같은 합계 높이의 온도 막대로 보여 준다.

위쪽에는 둥근 나무 손잡이가 달린 크랭크가 있고, 긴 수직 금속축이 아래쪽 패들휠까지 이어진다. 왼쪽 아래 패들휠에는 여러 층의 금속 날개가 서로 엇갈려 달려 있고, 오른쪽 아래에는 액체를 담는 구리색 원통형 열량계가 분리되어 놓여 있다. 패들이 액체 속에서 회전할 때 저항을 받도록 만든 구조를 전시한 모습이다. 런던 과학박물관에 남아 있는 1845년 제임스 프레스콧 줄의 원본 장치로, 기계적 일과 열의 등가 관계를 측정한 역사적 장치라는 실제 맥락을 제공한다. 그러나 사진은 장치의 외형과 부품 배치만 보여 준다. 낙하 추의 질량과 낙하 높이, 축의 회전수, 액체의 질량·비열·초기 온도와 온도 상승, 마찰 손실, 투입한 일과 얻은 열의 수치는 사진에 표시되어 있지 않다. 따라서 이 한 장으로 열의 일당량이나 내부에너지 변화를 계산할 수 없다. 또한 사진은 제1법칙의 일→열 전환 맥락을 보조하지만, 두 물체 사이 자발적 열 흐름이나 제2법칙의 전체 엔트로피 증가를 직접 촬영한 장면은 아니다. 그래프의 열량·온도·엔트로피 값은 이 사진에서 측정한 값이 아니다. 단열된 두 유한 물체의 에너지 장부와 엔트로피 변화는 앞의 그래프에서, 계의 경계와 제1·제2법칙의 역할 차이는 앞의 도식에서 읽는다.