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열역학 제3법칙과 저온 상 안정성(The Third Law of Thermodynamics and low temperature phase stability)

전문가 제언: □ “모든 순수 물질의 결정체의 엔트로피(entropy)는 절대온도 0K부근에서 0에 접근 한다” 즉 모든 물질이 열역학적으로 평형상태에 있을 때 절대온도가 0K에 가까워지면, 엔트로피도 0에 가까워진다는 Nernst- lanck의 정리를 공식화하여 열역학 제3법칙이 발표 되였다. Nernst는 열역학 과정에서 절대온도 T가 0이 되면, 엔트로피의 변화는 0이 된다고 주장하였고, Planck는 절대온도 T가 0이 됨에 따라 엔트로피 자신이 0이 된다고 주장하였다. 열역학 제3법칙에 따르면 보통 유한한 온도상태에서는 절대온도 0K에 도달할 수 없는 것으로 알려져 있다. 이 논문에서는 재료의 저온 상 안정성(phase stability), 상 경계(phase boundary), 그리고 열역학 제3법칙에 의하여 부과된 제한들과 관련된 상태도(phase diagram)에 대하여 언급하고 있다.

□ Nernst는 열역학 제3법칙을 공식화하여 1920년에 노벨 화학상을 받은 독일의 과학자이다. 그는 절대온도 0K보다 높은 온도에서 모든 물질은 제멋대로 움직이려는 경향이 있고, 모든 에너지는 흩어지려는 경향이 있다고 하였다. 고온에서 발생하는 수증기의 성질과 저온에서 고체가 갖는 특성 및 광화학의 메커니즘을 연구 하였고, 이러한 연구가 오늘날 산업과 과학에 널리 응용되고 있다.

□ 통계역학적으로 볼 때 모든 시스템이 최저 에너지 상태에 있는 경우를 절대영도라고 하며, 이때 이 시스템의 에너지는 완전히 확정되어 있다. 한편 양자역학에 의하면 불확정성 원리에 따른 에너지가 완전하게 확정되어 있는 시스템은 시간의 불확정성이 무한대가 된다. 즉 절대영도에 도달하려면 무한대의 시간이 필요하며, 따라서 실험적으로는 도달할 수 없다는 결론이 나온다.

□ 자연현상의 변화는 물질시스템의 엔트로피가 증가하는 방향으로 진행한다. 이것을 엔트로피 증가 법칙이라 하는데, 이 법칙이 발표된 이 후에 만약 이 법칙이 정당하다면, 우주는 어느 것이나 열평형에 도달하여 모든 종류의 에너지가 분자의 불규칙적인 열운동으로 변하여, 열의 종말 즉 우주의 종말에 도달하게 될 것이라는 논쟁이 있었다. 그러나 이는 우주를 고립된 유한한 시스템이라고 가정했을 때의 결론이다.

저자: Abriata, JP; Laughlin, DE
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