켈빈이란 물리학에서 사용되는 절대온도의 단위인 K를 지칭하는 용어이다. 하지만 정확히 말하자면 켈빈도라고 해야 정확한 용어일것이다.
이 켈빈도를 정의한 켈빈에 대해 알아보고 그의 물리학적 이론들을 정리해 켈빈도에 대한 이해를 돕고자 합니다.
켈 빈
William Thomson Baron Kelvin : 1824 - 1907
영국의 물리학자이며, 수학자. 본명은 William Thomson. 글래스고 대학과 케임브리지 대학에서 공부하고, 1846년 글래스고 대학 교수, 1904년 총장이 되었다. 1892년 귀족이 되었고, 1890∼95년 왕립학회 회장으로 있었다.
물리학의 여러 분야와 그 응용부문, 공업기술 등 매우 다방면에 걸쳐 연구를 했으며, 661종에 이르는 논문과 저서 및 발명품을 남겼다. 초기 연구는 고체 내의 열전도 및 전기전도에 관한 것으로, 정전기(靜電氣)에서의 영상법(映像法), M. 패러데이보다 앞선 역선(力線) 개념 제시 등이 있고(1842), 유전체(誘電體)의 자기이력(磁氣履歷)(1845), 커효과에 관한 연구도 있다. 열학(熱學) 분야에서 J. P. 줄의 열의 일당량에 관한 연구에 주목하여(1847), 열과 일의 동등성(열역학 제1법칙)을 강조하였다. S. 카르노의 열기관(熱機關) 이론을 바탕으로 절대온도눈금(켈빈 온도)을 도입하였고(1848), 열역학 제2법칙을 클라우지우스와 독립적으로 정식화(定式化)하였다. 열역학을 확립한 공헌자로서, 저서 《열의 동역학적 이론》이 있다. 열전기 연구(톰슨 효과)와 줄과 함께 행한 세공(細孔)마개의 실험(줄 - 톰슨 효과)도 있다.
한편, 전자기학(電磁氣學) 분야에서는 J. C. 맥스웰에게 영향을 미친 고주파진동전류의 연구를 비롯하여, 전기저항 측정과 관련한 전자기의 여러 단위에 관한 협정을 완성하고, 절대전위계(絶對電位計)·사분면전위계(象限電位計)·전기저울을 제작하였다. 1855년 대서양전신회사의 의뢰를 받고 해저전선(海底電線) 부설에 종사, 1866년 이 공사를 완성하였다. 사이펀리코더(siphon recorder)와 경전류계(鏡電流計)는 이 때의 산물이다. 지구물리학에서의 조석(潮汐) 문제, 나침반의 개량, 자이로스코프의 착상을 비롯한 항해술(航海術)에 대해서도 기여하였다.
■ 커효과 (Kerr Effect)
: 전자기장(電磁氣場)이 편광(偏光) 또는 물질의 광학적 성질에 미치는 효과를 나타내는 것으로 J. 커가 1875년 발견한 전기광학적 현상과, 1877년 발견한 자기광학적(磁氣光學的) 현상이 있다.
① 전기광학적 현상 : 등방성(等方性) 물체를 정전기장(靜電氣場) 속에 두면, 마치 변형을 가한 경우처럼 일시적인 비등방성을 띠고 복굴절성(複屈折性) 물질로 변하는 현상. 전기장에 의해 생기는 역학적 변형에 기인하는 것으로 생각되었으나, 액체나 기체에도 같은 현상이 일어나므로, 반드시 역학적 변형만이 원인이라고는 생각할 수 없다. 쌍극자모멘트를 가지는 분자가 전기장의 작용으로 어느 정도 방향이 일치되기 때문에 비등방성이 된다고 생각된다.
② 자기광학적 현상 : 직선편광이 자기장 속의 물체 또는 자성체에 의해 반사하면 타원편광으로 변하는 현상으로 강한 자기장 속에 등방성인 물질을 두었을 때, 그것을 통과하는 빛의 편광면이 회전한다고 하는 패러데이효과와 더불어, 빛과 자기 사이에 밀접한 관계가 있다는 것을 나타내는 중요한 현상이다.
■ 열의 일당량 (熱-當量, Mechanical Equivalent of Heat)
: 열이 얼마만큼의 역학적 일에 해당하는가를 나타내는 양으로 열량 Q와, 이와 같은 양의 일 W와의 비이다. 1842년 J. R. 마이어, 1847년 J. P. 줄에 의해 각각 독립적으로 측정되어 정량면에서 열의 물질설(열소설)을 반박하는 근거가 되었다. 보통 J라는 기호로 나타내는데, 그 값은 J = (4.1855 ± 0.0006) × 107 erg/cal이다.
■ 열역학 제1법칙 (熱力學第一法則, First Law of Thermodynamics)
: 열이 에너지의 한 형태라는 사실에 기초를 두어 이제까지 역학적에너지계에만 국한해서 생각해 오던 에너지보존법칙을 열 현상에까지 확장한 법칙으로 즉, 열과 역학적에너지를 동등한 입장에서 다루어 이 두 가지 형태의 에너지를 합한 에너지의 보존법칙이다. 어떤 물질계가 한 상태에서 다른 상태로 변할 때, 그 사이에 얻어진 총 에너지는 외부에서 하여진 역학적 일 W와 외부에서 들어온 열량 Q의 합W ＋ Q와 같고, 이 값은 초기상태와 나중상태만으로 결정되고 변화과정에는 무관한 양이다. 이 W ＋ Q는 두 상태량의 차와 같고 이를 내부에너지라고 한다.
외부에서 열의 흡입이 없고 일도 받지 않았다면, 그 물질계의 에너지는 변하지 않는다. 따라서 물질계의 에너지를 감소시키지 않고 외부에 일을 할 수 있는 장치, 즉, 제1종 영구기관은 원리적으로 제작이 불가능하다고 할 수 있다.
■ 카르노의 열기관 (Carnot's Heat Engine)
: 1820년대에 프랑스의 N. L. S. 카르노는 증기기관의 기본적 이론을 만들고자 하는 의도에서 시작하여, 열을 동력(일)으로 바꾸는 구조 일반을 고찰하였는데, 이것이 열기관이다. 열기관에 공급된 열로부터 얼마만큼의 일이 얻어질 수 있는지를 생각할 때, 얻어질 수 있는 일의 비율이 크면 클수록 그 기관은 유용하다고 할 수 있다. 여기서 얻어지는 일과 공급되는 열과의 비율을 효율이라 하며, 최대효율은 어떠한 경우에 얻어지는지를 조사한다. 카르노는 이와 같은 고찰을 진행하기 위하여 오늘날 카르노사이클(Carnot Cycle)이라고 하는 이상적인 기구를 가상하였다.
카르노사이클은 각각의 단계에서의 변화가 무한히 천천히 진행되어 일순의 과정을 거치는 것으로서, 각 단계는 거의 평형상태에 있고, 그 때문에 변화의 방향을 반대로 하여도 전혀 사정이 변하지 않는다. 즉, 변화의 방향을 반대로 해서 일순시키는 것도 가능하며, 역행 가능한 기관(가역기관)이다. 처음의 일순이 고온의 물체로부터 열을 받고, 외부로 일을 하며, 저온의 물체로 열이 흘러 들어가게 하는 것이라고 한다면, 역행과정은 저온의 물체로부터 열을 얻어내고, 고온의 물체에 열을 주어, 그 사이에 외부로부터 일을 받는다고 하는 형태로 일순한다.
이와 같은 카르노사이클을 생각하면 사실 그 효율은 사이클로 작동시키는 물질의 종류에 관계없이, 모두 동일하다는 것이 증명된다. 이 효율(최대효율이 된다)은 두 물체의 온도만으로 결정된다(카르노의 원리). 이것을 증명할 때, 카르노는 실은 영구기관이 불가능하다고 하는 원리를 사용하였던 것이다.
만일 2개의 카르노사이클의 효율이 동일하지 않다고 하면, 한쪽을 순방향으로, 다른 쪽을 역방향으로 작동하도록 하여 연결시켜서 얻어지는 일을 공급하는 일과 같아지도록 소거시키면, 외부에 아무 변화도 남기지 않고 고온의 물체로 열을 공급하는 것이 가능하다는 결과가 된다. 이것은 영구기관이다. 영구기관은 불가능하므로, 이것은 존재할 수 없다. 따라서 2개의 카르노사이클의 효율은 동일하지 않으면 안 된다. 이것이 카르노의 정리의 주요 내용이다.
이 내용은 그 후 R. E. 클라우지우스에 의해 정리되어 '저온의 물체로부터 고온의 물체로 열을 이동시키는 것 이외에, 아무 변화도 남기지 않는 과정은 있을 수 없다'고 하는 형식으로 그 중요성이 강조되었다. 오늘날 열역학 제2법칙의 한 표현이라 할 수 있다.
■ 절대온도 (絶對溫度, Absolute Temperature)
: 열역학 제2법칙에 따라 정해진 온도로 켈빈온도 또는 열역학적 온도라고도 한다. 기호 K(켈빈). 2개의 열원간에 있는 어떤 종류의 작업 물질을 사용하여 가역(可逆)사이클을 실현시켰을 때의 열효율은 작업 물질의 종류와 관계없이 고저(高低) 두 열원의 온도 T1, T2로 결정된다는 것이 열역학 제2법칙에 의해 증명된다. 따라서 높은 쪽의 온도 T1을 기준으로 하면 다른 온도 T2는 이 사이클의 열효율에 의해 정해지며, T1에서 작업물질로 바뀐 열량을 Q1, T2에 부여한 열량을 Q2라 하면 T2＝T1(Q2/Q1)이라는 관계가 성립된다. 이 관계에 의해 정의되는 온도가 절대온도로, 켈빈(W. 톰슨)이 1848년 도입하였다. 국제도량형위원회에서는 모든 온도 측정의 기준으로 절대온도를 채택하고 있다. 섭씨·화씨·열씨 온도 등과는 달리 물질의 특별한 상태와 관계없는 것이 그 특징이다.
온도눈금의 간격을 정하는 데는 옛날에는 물의 녹는점과 끓는점을 기준으로 해서 앞서 서술한 방법에 따라 100등분한 것을 1도의 온도차로 하는 2정점법(二定點法)이 채택되고 있었으나, 1954년 국제도량형총회에서 물의 삼중점(기체상·액체상·고체상의 평형점)을 273.16K로 정하고 이를 기준으로 열역학적 온도의 수치를 정하는 1정점법이 채택되었다. 이에 따라 측정된 물의 녹는점은 273.15K, 끓는점은 373.15K이다. 또 절대영도는 열역학적으로 생각할 수 있는 최저온도로서 분자의 열운동은 이 온도에서 완전히 정지된다.
이론상 통계역학적으로 엔트로피를 알면 절대온도 T를 유도할 수 있다. 또 원자·분자 등의 열운동평균에너지는 1자유도당 kT/2(k는 볼츠만상수)이다. 한편 열역학적 절대온도 표시 대신 그와 가까운 온도의 수치를 구하는 방법으로서 온도의 6정점과 각 정점간 온도측정을 내용으로 하는 국제실용온도표시법이 규정되어 있다.
■ 열역학 제2법칙 (熱力學第二法則, Second Law of Thermodynamics)
: 자연현상에는 비가역적 과정이 존재한다는 것을 주장하는 법칙으로 열역학 제1법칙이 과정의 전과 후에서의 에너지를 양적(量的)으로 규제하고 있는 데 대하여, 제2법칙은 에너지가 흐르는 방향을 규제하는 성격을 띠고 있다. 이 법칙에 의하면 열은 고온부에서 저온부로 흐르는 것이며, 저온부에서 고온부로 흐르지는 않는다. 자연현상 가운데는 이와 같은 비가역적 과정이 많다. 예컨대, 마찰에 의한 열의 발생, 기체의 확산 등은 주위에 아무 변화도 주지 않고, 이것을 역으로 진행시켜 원래의 상태로 되돌릴 수는 없다. 또 열기관에서는 고온의 열원에서 열을 얻어 이 열의 일부를 냉각기 같은 저온 열원으로 흘려보내는 과정에서만 일을 할 수 있고, 고온에서 얻은 열을 전부 일로 바꿀 수는 없다.
따라서 다만 하나의 열원에서 열을 받아 이것을 일로 바꾸되 그 외에 어떤 외부의 변화도 일으키지 않는 열기관, 즉, 제2종 영구기관은 원리적으로 제작이 불가능하다고 할 수 있다. 한편 물체의 상태만으로 결정되는 엔트로피라는 양을 정의하고, 이것으로 제2법칙에 대해, '열의 출입이 차단된 고립계에서는 엔트로피가 감소하는 변화는 일어나지 않고 항상 엔트로피가 증가하는 방향으로 변하고, 결국에는 엔트로피가 극대값을 가지는 평형상태에 도달한다'고 할 수 있다.
■ 줄 - 톰슨효과 (Joule - Thomson Effect)
: 기체를 가는 구멍으로 분출시키면 온도가 변하는 현상으로 J. P. 줄과 W. 톰슨(W. 켈빈)이 1854년 실험에 의하여 발견하였다. 상온(常溫)에서는 수소만은 온도가 올라가는데, 다른 기체는 냉각된다. 그 정도는 분출 전후의 압력차를 1atm으로 하면 산소에서 약 0.32℃ 공기에서 0.26℃인데, 압력차에 비례하여 그 정도가 커진다. 이들 기체를 강하게 압축하여 분출시키면 온도를 극적으로 내려서 액화(液化)할 수 있다.
액체공기는 이 원리를 기초로 하여 대략 150atm으로 압축한 공기를 반복하여 가는 구멍으로부터 분출시켜 만든다. 또 온도의 증가 및 감소는 일반적으로 그 기체의 온도에 따라 결정되며, 어느 온도 이하에서는 냉각되고, 그 이상에서는 올라간다. 이 경계에 있는 점을 역점온도(逆點溫度)라 한다. 예를 들면 수소도 －80℃ 이하의 온도에서는 분출에 의하여 냉각된다.
이 켈빈도를 정의한 켈빈에 대해 알아보고 그의 물리학적 이론들을 정리해 켈빈도에 대한 이해를 돕고자 합니다.
켈 빈
William Thomson Baron Kelvin : 1824 - 1907
영국의 물리학자이며, 수학자. 본명은 William Thomson. 글래스고 대학과 케임브리지 대학에서 공부하고, 1846년 글래스고 대학 교수, 1904년 총장이 되었다. 1892년 귀족이 되었고, 1890∼95년 왕립학회 회장으로 있었다.
물리학의 여러 분야와 그 응용부문, 공업기술 등 매우 다방면에 걸쳐 연구를 했으며, 661종에 이르는 논문과 저서 및 발명품을 남겼다. 초기 연구는 고체 내의 열전도 및 전기전도에 관한 것으로, 정전기(靜電氣)에서의 영상법(映像法), M. 패러데이보다 앞선 역선(力線) 개념 제시 등이 있고(1842), 유전체(誘電體)의 자기이력(磁氣履歷)(1845), 커효과에 관한 연구도 있다. 열학(熱學) 분야에서 J. P. 줄의 열의 일당량에 관한 연구에 주목하여(1847), 열과 일의 동등성(열역학 제1법칙)을 강조하였다. S. 카르노의 열기관(熱機關) 이론을 바탕으로 절대온도눈금(켈빈 온도)을 도입하였고(1848), 열역학 제2법칙을 클라우지우스와 독립적으로 정식화(定式化)하였다. 열역학을 확립한 공헌자로서, 저서 《열의 동역학적 이론》이 있다. 열전기 연구(톰슨 효과)와 줄과 함께 행한 세공(細孔)마개의 실험(줄 - 톰슨 효과)도 있다.
한편, 전자기학(電磁氣學) 분야에서는 J. C. 맥스웰에게 영향을 미친 고주파진동전류의 연구를 비롯하여, 전기저항 측정과 관련한 전자기의 여러 단위에 관한 협정을 완성하고, 절대전위계(絶對電位計)·사분면전위계(象限電位計)·전기저울을 제작하였다. 1855년 대서양전신회사의 의뢰를 받고 해저전선(海底電線) 부설에 종사, 1866년 이 공사를 완성하였다. 사이펀리코더(siphon recorder)와 경전류계(鏡電流計)는 이 때의 산물이다. 지구물리학에서의 조석(潮汐) 문제, 나침반의 개량, 자이로스코프의 착상을 비롯한 항해술(航海術)에 대해서도 기여하였다.
■ 커효과 (Kerr Effect)
: 전자기장(電磁氣場)이 편광(偏光) 또는 물질의 광학적 성질에 미치는 효과를 나타내는 것으로 J. 커가 1875년 발견한 전기광학적 현상과, 1877년 발견한 자기광학적(磁氣光學的) 현상이 있다.
① 전기광학적 현상 : 등방성(等方性) 물체를 정전기장(靜電氣場) 속에 두면, 마치 변형을 가한 경우처럼 일시적인 비등방성을 띠고 복굴절성(複屈折性) 물질로 변하는 현상. 전기장에 의해 생기는 역학적 변형에 기인하는 것으로 생각되었으나, 액체나 기체에도 같은 현상이 일어나므로, 반드시 역학적 변형만이 원인이라고는 생각할 수 없다. 쌍극자모멘트를 가지는 분자가 전기장의 작용으로 어느 정도 방향이 일치되기 때문에 비등방성이 된다고 생각된다.
② 자기광학적 현상 : 직선편광이 자기장 속의 물체 또는 자성체에 의해 반사하면 타원편광으로 변하는 현상으로 강한 자기장 속에 등방성인 물질을 두었을 때, 그것을 통과하는 빛의 편광면이 회전한다고 하는 패러데이효과와 더불어, 빛과 자기 사이에 밀접한 관계가 있다는 것을 나타내는 중요한 현상이다.
■ 열의 일당량 (熱-當量, Mechanical Equivalent of Heat)
: 열이 얼마만큼의 역학적 일에 해당하는가를 나타내는 양으로 열량 Q와, 이와 같은 양의 일 W와의 비이다. 1842년 J. R. 마이어, 1847년 J. P. 줄에 의해 각각 독립적으로 측정되어 정량면에서 열의 물질설(열소설)을 반박하는 근거가 되었다. 보통 J라는 기호로 나타내는데, 그 값은 J = (4.1855 ± 0.0006) × 107 erg/cal이다.
■ 열역학 제1법칙 (熱力學第一法則, First Law of Thermodynamics)
: 열이 에너지의 한 형태라는 사실에 기초를 두어 이제까지 역학적에너지계에만 국한해서 생각해 오던 에너지보존법칙을 열 현상에까지 확장한 법칙으로 즉, 열과 역학적에너지를 동등한 입장에서 다루어 이 두 가지 형태의 에너지를 합한 에너지의 보존법칙이다. 어떤 물질계가 한 상태에서 다른 상태로 변할 때, 그 사이에 얻어진 총 에너지는 외부에서 하여진 역학적 일 W와 외부에서 들어온 열량 Q의 합W ＋ Q와 같고, 이 값은 초기상태와 나중상태만으로 결정되고 변화과정에는 무관한 양이다. 이 W ＋ Q는 두 상태량의 차와 같고 이를 내부에너지라고 한다.
외부에서 열의 흡입이 없고 일도 받지 않았다면, 그 물질계의 에너지는 변하지 않는다. 따라서 물질계의 에너지를 감소시키지 않고 외부에 일을 할 수 있는 장치, 즉, 제1종 영구기관은 원리적으로 제작이 불가능하다고 할 수 있다.
■ 카르노의 열기관 (Carnot's Heat Engine)
: 1820년대에 프랑스의 N. L. S. 카르노는 증기기관의 기본적 이론을 만들고자 하는 의도에서 시작하여, 열을 동력(일)으로 바꾸는 구조 일반을 고찰하였는데, 이것이 열기관이다. 열기관에 공급된 열로부터 얼마만큼의 일이 얻어질 수 있는지를 생각할 때, 얻어질 수 있는 일의 비율이 크면 클수록 그 기관은 유용하다고 할 수 있다. 여기서 얻어지는 일과 공급되는 열과의 비율을 효율이라 하며, 최대효율은 어떠한 경우에 얻어지는지를 조사한다. 카르노는 이와 같은 고찰을 진행하기 위하여 오늘날 카르노사이클(Carnot Cycle)이라고 하는 이상적인 기구를 가상하였다.
카르노사이클은 각각의 단계에서의 변화가 무한히 천천히 진행되어 일순의 과정을 거치는 것으로서, 각 단계는 거의 평형상태에 있고, 그 때문에 변화의 방향을 반대로 하여도 전혀 사정이 변하지 않는다. 즉, 변화의 방향을 반대로 해서 일순시키는 것도 가능하며, 역행 가능한 기관(가역기관)이다. 처음의 일순이 고온의 물체로부터 열을 받고, 외부로 일을 하며, 저온의 물체로 열이 흘러 들어가게 하는 것이라고 한다면, 역행과정은 저온의 물체로부터 열을 얻어내고, 고온의 물체에 열을 주어, 그 사이에 외부로부터 일을 받는다고 하는 형태로 일순한다.
이와 같은 카르노사이클을 생각하면 사실 그 효율은 사이클로 작동시키는 물질의 종류에 관계없이, 모두 동일하다는 것이 증명된다. 이 효율(최대효율이 된다)은 두 물체의 온도만으로 결정된다(카르노의 원리). 이것을 증명할 때, 카르노는 실은 영구기관이 불가능하다고 하는 원리를 사용하였던 것이다.
만일 2개의 카르노사이클의 효율이 동일하지 않다고 하면, 한쪽을 순방향으로, 다른 쪽을 역방향으로 작동하도록 하여 연결시켜서 얻어지는 일을 공급하는 일과 같아지도록 소거시키면, 외부에 아무 변화도 남기지 않고 고온의 물체로 열을 공급하는 것이 가능하다는 결과가 된다. 이것은 영구기관이다. 영구기관은 불가능하므로, 이것은 존재할 수 없다. 따라서 2개의 카르노사이클의 효율은 동일하지 않으면 안 된다. 이것이 카르노의 정리의 주요 내용이다.
이 내용은 그 후 R. E. 클라우지우스에 의해 정리되어 '저온의 물체로부터 고온의 물체로 열을 이동시키는 것 이외에, 아무 변화도 남기지 않는 과정은 있을 수 없다'고 하는 형식으로 그 중요성이 강조되었다. 오늘날 열역학 제2법칙의 한 표현이라 할 수 있다.
■ 절대온도 (絶對溫度, Absolute Temperature)
: 열역학 제2법칙에 따라 정해진 온도로 켈빈온도 또는 열역학적 온도라고도 한다. 기호 K(켈빈). 2개의 열원간에 있는 어떤 종류의 작업 물질을 사용하여 가역(可逆)사이클을 실현시켰을 때의 열효율은 작업 물질의 종류와 관계없이 고저(高低) 두 열원의 온도 T1, T2로 결정된다는 것이 열역학 제2법칙에 의해 증명된다. 따라서 높은 쪽의 온도 T1을 기준으로 하면 다른 온도 T2는 이 사이클의 열효율에 의해 정해지며, T1에서 작업물질로 바뀐 열량을 Q1, T2에 부여한 열량을 Q2라 하면 T2＝T1(Q2/Q1)이라는 관계가 성립된다. 이 관계에 의해 정의되는 온도가 절대온도로, 켈빈(W. 톰슨)이 1848년 도입하였다. 국제도량형위원회에서는 모든 온도 측정의 기준으로 절대온도를 채택하고 있다. 섭씨·화씨·열씨 온도 등과는 달리 물질의 특별한 상태와 관계없는 것이 그 특징이다.
온도눈금의 간격을 정하는 데는 옛날에는 물의 녹는점과 끓는점을 기준으로 해서 앞서 서술한 방법에 따라 100등분한 것을 1도의 온도차로 하는 2정점법(二定點法)이 채택되고 있었으나, 1954년 국제도량형총회에서 물의 삼중점(기체상·액체상·고체상의 평형점)을 273.16K로 정하고 이를 기준으로 열역학적 온도의 수치를 정하는 1정점법이 채택되었다. 이에 따라 측정된 물의 녹는점은 273.15K, 끓는점은 373.15K이다. 또 절대영도는 열역학적으로 생각할 수 있는 최저온도로서 분자의 열운동은 이 온도에서 완전히 정지된다.
이론상 통계역학적으로 엔트로피를 알면 절대온도 T를 유도할 수 있다. 또 원자·분자 등의 열운동평균에너지는 1자유도당 kT/2(k는 볼츠만상수)이다. 한편 열역학적 절대온도 표시 대신 그와 가까운 온도의 수치를 구하는 방법으로서 온도의 6정점과 각 정점간 온도측정을 내용으로 하는 국제실용온도표시법이 규정되어 있다.
■ 열역학 제2법칙 (熱力學第二法則, Second Law of Thermodynamics)
: 자연현상에는 비가역적 과정이 존재한다는 것을 주장하는 법칙으로 열역학 제1법칙이 과정의 전과 후에서의 에너지를 양적(量的)으로 규제하고 있는 데 대하여, 제2법칙은 에너지가 흐르는 방향을 규제하는 성격을 띠고 있다. 이 법칙에 의하면 열은 고온부에서 저온부로 흐르는 것이며, 저온부에서 고온부로 흐르지는 않는다. 자연현상 가운데는 이와 같은 비가역적 과정이 많다. 예컨대, 마찰에 의한 열의 발생, 기체의 확산 등은 주위에 아무 변화도 주지 않고, 이것을 역으로 진행시켜 원래의 상태로 되돌릴 수는 없다. 또 열기관에서는 고온의 열원에서 열을 얻어 이 열의 일부를 냉각기 같은 저온 열원으로 흘려보내는 과정에서만 일을 할 수 있고, 고온에서 얻은 열을 전부 일로 바꿀 수는 없다.
따라서 다만 하나의 열원에서 열을 받아 이것을 일로 바꾸되 그 외에 어떤 외부의 변화도 일으키지 않는 열기관, 즉, 제2종 영구기관은 원리적으로 제작이 불가능하다고 할 수 있다. 한편 물체의 상태만으로 결정되는 엔트로피라는 양을 정의하고, 이것으로 제2법칙에 대해, '열의 출입이 차단된 고립계에서는 엔트로피가 감소하는 변화는 일어나지 않고 항상 엔트로피가 증가하는 방향으로 변하고, 결국에는 엔트로피가 극대값을 가지는 평형상태에 도달한다'고 할 수 있다.
■ 줄 - 톰슨효과 (Joule - Thomson Effect)
: 기체를 가는 구멍으로 분출시키면 온도가 변하는 현상으로 J. P. 줄과 W. 톰슨(W. 켈빈)이 1854년 실험에 의하여 발견하였다. 상온(常溫)에서는 수소만은 온도가 올라가는데, 다른 기체는 냉각된다. 그 정도는 분출 전후의 압력차를 1atm으로 하면 산소에서 약 0.32℃ 공기에서 0.26℃인데, 압력차에 비례하여 그 정도가 커진다. 이들 기체를 강하게 압축하여 분출시키면 온도를 극적으로 내려서 액화(液化)할 수 있다.
액체공기는 이 원리를 기초로 하여 대략 150atm으로 압축한 공기를 반복하여 가는 구멍으로부터 분출시켜 만든다. 또 온도의 증가 및 감소는 일반적으로 그 기체의 온도에 따라 결정되며, 어느 온도 이하에서는 냉각되고, 그 이상에서는 올라간다. 이 경계에 있는 점을 역점온도(逆點溫度)라 한다. 예를 들면 수소도 －80℃ 이하의 온도에서는 분출에 의하여 냉각된다.
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