안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
네, 열역학 제2법칙이 맞아요. 제2법칙에는 여러 표현이 있는데, 그중 켈빈-플랑크 표현이 딱 이 내용이에요. 한 열원에서 열을 받아 그 전부를 일로 바꾸면서 계속 순환하는 기관은 만들 수 없다는 거예요. 에너지 보존만 따지는 제1법칙은 100% 전환을 막지 않아요. 제2법칙이 따로 필요한 이유가 여기에 있어요.
엔트로피로 보면 근거가 보여요. 온도 T인 곳에서 열 Q가 들어오면 엔트로피도 Q/T만큼 함께 들어와요. 반면 일은 엔트로피를 전혀 싣고 나가지 않아요. 열기관은 한 바퀴 돌고 나면 처음 상태로 돌아와야 하니, 들어온 엔트로피를 어딘가로 내보내야 해요. 일로는 내보낼 수 없어서 차가운 쪽으로 열을 일부 버리는 방법밖에 없어요. 전체 엔트로피가 줄지 않는다는 조건을 넣어 계산하면 최대 효율은 1 − T저온/T고온이 나와요. 이게 카르노 효율이에요.
600K에서 열을 받고 300K로 버리는 기관이라면 아무리 완벽하게 만들어도 효율은 50%가 한계예요. 100%가 되려면 저온 쪽이 절대영도여야 하는데, 절대영도에는 도달할 수 없다는 게 제3법칙이에요.
제2법칙은 수학적으로 증명된 정리라기보다 수많은 실험과 관찰에서 반례가 한 번도 나오지 않은 경험 법칙이에요. 통계역학으로 보면 무작위로 흩어진 분자 운동을 한 방향의 일로 모두 모을 확률이 사실상 0이라는 것으로 설명돼요. 반대로 일을 마찰로 전부 열로 바꾸는 건 아주 쉽게 일어나요 :)