열역학 제0법칙

열역학 제0법칙 들어보셨나요? 열역학 제0법칙은 이해하기 어렵지 않습니다. 간단한 예시부터 몇 가지 들어보겠습니다. 매우 더운 여름날 카페에 가서 아이스 아메리카노를 샀습니다. 음료를 받아서 테이블에 앉았습니다. 테이블에 아이스 아메리카노를 올려 두었습니다. 시간이 지나자 얼음이 녹았습니다. 추운 겨울 날 카페에서 따뜻한 차를 샀습니다. 차를 마시기 위해 테이블에 앉았습니다. 테이블에 따뜻한 차를 올려 두었습니다. 시간이 지나자 차가 식었습니다. 아파트에 삽니다. 추운 겨울 날 보일러를 틀지 않았습니다. 운이 좋게도 윗집, 아랫집, 양 옆집에서 보일러를 훈훈하게 틀었습니다. 다시 더운 날 예를 들어보겠습니다. 아이스 박스에 수박과 맥주를 넣어두었습니다. 시원하게 유지하기 위해 아이스 팩을 넣어두었습니다. 추운 날 핫 팩을 열심히 흔들어서 몸 안에 넣고 다녔습니다. 아주 따뜻했습니다. 지금까지 예를 든 경우가 열역학 제0법칙이라고 보시면 됩니다. 열역학 제0법칙이란 서로 접촉하고 있는 물질이 열 평형을 이루고 있다면 열 이동이 없다는 내용입니다. 다른 말로 풀어 쓰면 서로 접촉하고 있는 물질이 열 평형을 이루지 않고 있다면 열의 이동이 있다는 것이죠. 바로 열 평형을 이룰 때까지 열의 이동이 있다는 말이죠. 열이 어디에서 어디로 흐르냐는 것은 열역학의 다른 법칙으로 설명할 수 있습니다. 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 열은 흐르게 되어 있습니다. 자연스러운 경우에 말이죠. 다시 열역학 제0법칙으로 돌아가보겠습니다. 그렇다면 말씀드린 예를 다시 언급하겠습니다. 여름 날 아이스 아메리카노가 시간이 지나 녹았다는 이야기입니다. 여기에서는 네 가지 물질이 있다고 할 수 있습니다. 얼음, 아메리카노, 잔 그리고 외부 공기입니다. 하지만 어차피 같은 논리 전개가 될 테니 잔은 아메리카노와 동일하다고 보겠습니다. 그렇다면 얼음 아메리카노 외부 공기만 다루겠습니다. 아메리카노와 얼음을 먼저 생각해보겠습니다. 아메리카노는 뜨겁고 얼음은 차갑습니다. 열역학적으로 생각해보면 고온인 아메리카노가 열 에너지를 더 갖고 있다고 할 수 있습니다. 그렇다면 아메리카노의 열 에너지가 얼음으로 이동을 합니다. 이동된 열 에너지만큼 아메리카노의 온도는 떨어집니다. 이동된 열 에너지만큼 얼음은 온도가 올라갑니다. 그러면 녹게 됩니다. 그렇다면 언제까지 열의 이동이 계속될까요? 바로 아메리카노와 얼음이 열 평형을 이룰 때까지입니다. 그런데 여기서 생각해볼 것이 있습니다. 얼음이라는 것은 0도 이하의 물 상태입니다. 따라서 아메리카노의 온도가 0도 이하가 될 수 있다면 얼음은 유지되겠죠. 아메리카노에서 뺏긴 열이 얼음으로 가고 그 열은 얼음의 온도를 높입니다. 그러면 0도 이상의 된 일부의 얼음이 물로 변하게 됩니다. 이런 과정을 거쳐서 얼음은 모두 녹게 됩니다. 그렇다면 열 평형을 이루었냐고 물어볼 수 있겠죠. 얼음에서 바뀐 물의 온도가 아메리카노와 정확히 같은 온도라면 열 평형을 이루었을 겁니다. 그렇지 않다면 열 평형을 이룰 때까지 열의 이동이 있을 겁니다. 아메리카노와 얼음만 열 평형 상태로 멈춰져 있다면 우리가 시킨 음료는 상당히 차가운 상태를 유지할 것입니다. 하지만 외부 공기를 고려해야 합니다. 에어콘이 작동되는 실내라면 아메리카노가 미지근해지기까지 상당한 시간이 걸릴 겁니다. 하지만 외부라면 그 시간이 더 빠를 겁니다. 외부 공기와 아메리카노는 열 평형 상태가 아닙니다. 외부 공기가 더 뜨거운 에너지를 갖고 있습니다. 그렇다면 외부에서 아메리카노로 열의 이동이 발생할 겁니다. 하지만 외부라는 것은 특정할 수 없는 매우 큰 부피입니다. 아메리카노와 비교하자면 무한대에 가깝다고 볼 수도 있습니다. 그렇다면 아메리카노에 의해 외부 공기가 차가워지는 것은 측정할 수 없을 만큼 미세한 정도입니다. 일방적으로 아메리카노만 뜨거워진다고 느낄 수 있을 겁니다. 이런 과정을 거치고 난 후에 아메리카노는 미지근해집니다. 이제 아이스 박스에 담겨 있는 예를 거론해보겠습니다. 추운 겨울 날에 뜨거운 차의 예는 사실 서로 온도만 바뀐 것이지 여름에 차가운 아메리카노 예와 동일합니다. 아이스 박스는 열역학으로 생각할 때 생각할 거리가 있어서 설명을 드립니다. 아이스 박스에 수박과 맥주가 있습니다. 그리고 시원하게 하기 위해 아이스 팩을 넣어두었습니다. 그렇다면 여기서 생각해 볼 것은 아이스 박스에 담긴 수박과 맥주, 아이스 팩, 아이스 박스 그리고 외부 공기입니다. 아이스 박스에 담겨 있는 수박과 맥주는 물체라고 묶어서 다루겠습니다. 내부 물체, 아이스 팩, 아이스 박스, 외부 공기를 이야기해보겠습니다. 아까 예와는 조금 다릅니다. 아까 잔을 무시했던 것처럼 아이스 박스를 무시하지 않은 거죠. 내부 물체와 아이스 팩은 다른 온도를 가지고 있습니다. 열 평형을 이룰 때까지 열의 이동을 하게 됩니다. 그래서 내부 물체는 시원해지게 됩니다. 열 평형을 이루었다면 열의 이동은 없을 겁니다. 이제 아이스 박스를 이야기해보겠습니다. 아이스 박스는 정확히 말하면 단열재입니다. 보온병도 단열재입니다. 외부 공기가 내부 물체에 영향을 미치는 것을 막는 역할입니다. 완전히 막지는 못하겠지만 상당한 효과가 있습니다. 그래서 내부 온도가 외부 공기와 따로 놀게 되는 것이죠. 그래서 저온의 상태라면 계속 저온을 유지할 수 있고 고온의 상태라면 고온을 유지할 수 있습니다. 내부 물체와 아이스 팩이 열 평형을 이루었다면 아이스 박스 안쪽 면과 열 평형을 이룰 때까지 열의 이동이 있을 겁니다. 단 아이스 박스 내부와 외부의 온도는 극명하게 다릅니다. 열의 이동을 할 수 없게 되어있기 때문이죠. 이렇게 해서 아이스 박스 안에만 열 평형 상태를 이루고 유지하게 됩니다.