절대 영도란?(Feat. 열역학 제 3법칙)

안녕하세요~ 흥미롭고 재미있는 과학의 흥. 재. 과입니다!

 

우리나라를 포함한 대부분의 국가에서는 섭씨( °C)를 많이 사용하는데요!

물의 어는점 0°C와 끓는점 100°C로 정의하여 직관적이고 활용하기 쉽기 때문입니다.

 

하지만 과학의 영역에서는 켈빈(K)이라는 온도 단위를 주로 사용하는데요.

켈빈은 열역학적 온도의 기준을 제시하며, 절대 영도(0K)라는

우주의 가장 낮은 온도를 기준으로 설계되었기 때문입니다.

 

즉, 켈빈이 자연의 본질에 더 가까운 단위이고,

모든 온도를 에너지와 직접적으로 연관시킬 수 있는 물리적 척도인데요!

 

오늘은 켈빈의 온도 단위를 중심으로 열역학 제3법칙과

우주의 이론적 가장 차가운 온도인 절대영도에 대해 알아보도록 하겠습니다!

 

절대 영도(0K)

 

1. 절대 영도란?

절대 영도는 물리학에서 온도의 이론적 최저점으로, 더 이상 온도가 내려갈 수 없다는 상태를 말합니다.

0K = -273.15 °C로 이 온도에서는 모든 물질의 열운동이 완전히 멈추게 되는데요!

샤를의 법칙에 의해서 기체의 부피는 절대 온도(K)에 비례하게 되는데,

이 법칙에 의해서 일정한 압력에서 기체의 온도를 1K씩 내릴 경우 부피가 1/273만큼 줄어들게 됩니다.

 

즉, 이론적으로는 이상기체에서 273.15K를 내리게 되면 부피가 0이 되는 것을 뜻하고 이는 기체의 분자활동이 없다는 것이죠.

하지만 이러한 절대 영도 0K는 성립할 수 없는데요.

 

그 이유는 하이젠베르크의 불확정성원리와 열역학 제3법칙의 관계 때문입니다!

 

절대 영도 0k

 

2. 하이젠베르크의 불확정성의 원리

- 정의 : 입자의 위치와 운동량을 동시에 정확하게 측정할 수없다

 

이 하이젠베르크의 불확정성 원리는 거시세계(일상생활)와 미시세계 둘 다 적용되는 원리인데요.

 

<빛을 예로 들어볼까요?>

빛을 사용하여 전자의 위치를 알아내 보겠습니다.

1. 우리가 빛을 쏘아서 전자에 부딪히게 되면, 그 빛이 반사되어 우리 눈에 들어오게 됩니다. → 위치 측정

2. 하지만 빛이 전자에 부딪히는 순간, 빛은 에너지를 전자에게 전달하게 되고 전자의 운동에너지가 증가됩니다.

3. 즉, 전자의 위치를 측정하기 위해 빛을 쏘았을 때 전자의 운동량이 변화게 되는 것이죠. → 운동량 불확실성 ↑

[반대의 경우]

4. 운동량을 정확하게 측정하기 위하여 빛의 에너지가 상대적으로 작은 긴 파장의 빛을 사용했을 때는,

    빛이 전자에 부딪힐 때 전자에 미치는 영향이 덜하게 됩니다. → 운동량 측정

5. 하지만 파장이 길어진 빛은 전자를 정확하게 포착할 수 없기에 전자의 위치는 덜 정확하게 측정됩니다. → 위치의 불확실성 ↑

 

따라서, 운동량과 위치는 서로 반비례 관계에 있기 때문에 어느 한쪽을 정확하게 측정하면 다른 쪽은 불확실해져 버립니다.

 

거시세계에서는 빛의 에너지가 운동량에 변화를 주기에는 매우 작기 때문에, 불확실성의 원리가 성립되지 않는 것처럼 보이지만

엄밀히 따지자면 일상생활에서 측정한 운동량과 위치조차도 100% 정확하진 않습니다!

 

 

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3. 열역학 제3법칙

- 정의 : 절대 영도 0K에 가까워질수록 엔트로피는 0으로 수렴한다.

 

엔트로피 : 시스템(계) 안의 무질서도

엔트로피가 증가한다는 것은 자연물질이 변형되면 원래의 상태로 돌아갈 수 없는 경향을 말합니다.

[닫힌 계]

예를 들어 뜨거운 물체와 차가운 물체가 접촉하면 열은 자연스럽게 차가운 물체로 이동하고 결국 평형온도에 도달하게 되는데요.

엔트로피는 이 과정에서 자유롭게 확산되고 무질서하게 변하기 때문에 엔트로피가 증가하게 되는 것이죠.

평형온도에 도달하게 되면 온도차가 없기에 물질 구분이 없어지면서 엔트로피의 변화가 일어나지 않게 됩니다.

[열린계]

그렇다면 우주처럼 무한한 시스템(계) 안에서는 어떨까요?

빅뱅 이후 끊임없이 팽창하고 있는 우주는 에너지가 무질서하고 무한히 확산되기에 엔트로피는 계속 증가합니다.

즉, 우주는 점점 무질서 해지는 방향으로 나가는 것이죠.

 

절대 영도가 될 수 없는 이유

절대 영도가 되기 위해서는 이론적으로 모든 분자가 완벽하게 정렬된 상태(무질서함이 없는 상태)여야 합니다.

왜냐하면 무질서가 커질수록 각 입자의 상태를 정확하게 알 수 없기 때문인데요!

즉, 무질서하기에 입자의 운동량과 위치를 정확히 알 수 없고 이는 앞서 말했던 하이젠베르크의 불확실성 원리를 의미합니다!

 

 

온도가 내려갈수록 입자들의 활동이 줄어들게 되고 에너지가 제한된 상태로 들어가기에
엔트로피가 점점 줄어들지만,
결정적인 상태(완전한 질서상태와 모든 입자가 동일한 에너지 상태)는
존재할 수 없기에 절대 영도는 될 수 없습니다!

 

우주의 팽창과 엔트로피의 증가

 

오늘은 절대 영도와 열역학 제3법칙을 통해 우주에 대해 알아보았다면

다음 포스팅에서는 우주의 열적 종말인 빅프리즈에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

이상 흥. 재. 과였습니다!