열역학 법칙을 알기 전에 미리 알아놔야 할 용어>
열평형: 쉽게 말해서 온도가 다른 두 물체를 붙여놓으면 두 물체의 온도가 같아지는 현상입니다. 이때 "두 물체는 열적 평형 상태에 있다" 고 하죠.
계: 공간이라고 보시면 됩니다.
온도: 쉽게 설명하면 물체의 차고 뜨거움을 나타내는 수치, 물리학적으로 설명하자면 계를 구성하는 입자가 가진 에너지의 평균값입니다.
<열역학 제0법칙>
열역학 제0법칙은 열역학 법칙들 중 가장 핵심적인 내용을 서술합니다.
그런데 왜 "제1법칙"이 아니라 "제0법칙" 이냐고요?
열역학 제1법칙과 제2법칙 이후에 새로운 열역학 법칙이 발견되었습니다.
그런데 이 법칙이 논리적으로 제1법칙과 제2법칙보다 앞서기 때문에 제3법칙이라 하지 않고
제0법칙이라 하게 된 것입니다.
(저도 차라리 그냥 제1법칙을 제2법칙으로 제2법칙을 제3법칙으로 하고 새롭게 발견된 법칙을 제1법칙이라고 하면 좋았을 거라고 생각하지만 우리같은 일반 시민들의 의견이 뭐가 중요합니까 ㅋ)
서론이 길었네요.
그래서 열역학 제0법칙이 뭔지를 설명하자면
"고립된 계의 물체 A가 물체 C와 열평형 상태에 있고 물체 B와 물체 C가 열평형 상태에 있을 때 세 물체의 온도는 모두 열평형 상태에 있다."
입니다. 왠지 되게 어려운 말 같지만 실제로는 매우 쉬운 내용을 꼬아서 쓴 것 뿐입니다.
그래서 이 Dimentio가 걍 쉽게 풀어 써드리죠.
"A의 온도와 C의 온도가 같고 B의 온도와 C의 온도가 같을 때 A와 B의 온도는 같다."
더 쉽게 써보면...
"A = C, B = C 일때 A = B = C"
ㅋㅋㅋ
엄청 쉽죠?
그럼 이 간단한 법칙이 우리 생활에 어떻게 쓰이고 있는지 봅시다.
열역학 제0법칙을 가장 잘 보여주는 예시는 온도계가 아닐가 하는데요,
온도계를 물체의 온도를 측정할때 어떤 일이 일어나나 봅시다.
가령 코코아의 온도를 온도계로 잰다고 합시다. (왜 재는지는 여러분들이 알아서 생각하시길)
여기서 코코아는 물체 A로, 온도계는 물체 C라고 일반화할 수 있죠.
온도계가 온도를 측정하는 방법은, 온도계가 코코아와 접촉하면
온도계와 코코아가 열평형 상태에 이르게 됩니다.
그러면 코코아와 온도가 같아진 온도계는 코코아의 온도를 표시하게 되는거죠.
다시 한번 열역학 제0법칙을 보면...
"고립된 계의 물체 A가 물체 C와 열평형 상태에 있고 물체 B와 물체 C가 열평형 상태에 있을 때 세 물체의 온도는 모두 열평형 상태에 있다."
이거였죠?
여기서...
"고립된 계의 물체 A(코코아)가 물체 C(온도계)와 열평형 상태에 있고 물체 B와 물체 C가 열평형 상태에 있을 때 세 물체의 온도는 모두 열적 평형 상태에 있다."
첫번째 조건 물체 A와 물체 C의 열평형 상태를 만족시켰습니다.
왜냐고요? 코코아와 온도계의 온도가 같아졌기 때문이죠.
그러면 이제 코코아는 됬고, 커피의 온도를 재어봅시다.
마찬가지로 커피의 온도를 잴 때 온도계는 커피와 열적 평형 상태를 이루게 되고,
온도계는 커피의 온도를 나타냅니다.
"고립된 계의 물체 A가 물체 C와 열평형 상태에 있고 물체 B(커피)와 물체 C(온도계)가 열평형 상태에 있을 때 세 물체의 온도는 모두 열적 평형 상태에 있다."
두번째 조건을 만족시켰네요?
커피와 온도계의 온도가 같아졌잖아요.
그러면 여기서 우리는 코코아, 커피, 온도계의 온도가 모두 같다고 할 수 있습니다.
"고립된 계의 물체 A가 물체 C와 열평형 상태에 있고 물체 B와 물체 C가 열평형 상태에 있을 때 세 물체(코코아, 커피, 온도계)의 온도는 모두 열평형 상태에 있다."
이걸 그림으로 정리하면...
가 되겠죠?
언뜻 보면 쉬운 얘기를 꼬아서 설명한 것 같지만
열역학 제0법칙은 온도의 개념을 증명하는 법칙이기 때문에 매우 중요한 법칙입니다.
그리고 어차피 열역학 제0법칙처럼 쉬운 개념이 시험에 나오면
우리에게는 더 좋은거 아닌가요?