열역학의 법칙

열역학 제0법칙(zeroth law of thermodynamics)은 열적 평형 상태를 설명하는 법칙이다.

"어떤 계의 물체 A와 B가 열적 평형상태에 있고, B와 C가 열적 평형상태에 있으면, A와 C도 열평형상태에 있다."

이것은 온도의 존재를 주장하는 것과 같으며 모든 열역학 법칙의 기본이 된다.

이 법칙은 기본적으로 인지되었던 것이나 열역학 제1, 2법칙보다 늦게 포함되었기 때문에 0법칙이 되었다

열역학 제1법칙(The first law of thermodynamics)은 보다 일반화된 에너지 보존법칙의 표현이다:

"어떤 계의 내부 에너지의 증가량은 계에 더해진 열 에너지에서 계가 외부에 해준 일을 뺀 양과 같다."

열의 이동에 따라 계 내부의 에너지가 변하는데 이때 열에너지 또한 변한다. 이 에너지는 계 내부의 원자·분자의 역학적 에너지 등을 일컫는다. 일반적으로, 어떤 체계에 외부로부터 어떤 에너지가 가해지면 그만큼 체계의 에너지가 증가한다.  이와 같이, 물체에 열을 가하면 그 물체의 내부 에너지가 가해진 열 에너지만큼 증가한다. 또한 물체에 역학적인 일이 더해져도 역시 내부 에너지는 더해진 일의 양만큼 증가한다. 따라서 물체에 열과 일이 동시에 가해졌을 때 물체의 내부 에너지는 가해진 열과 일의 양만큼 증가한다. 이것을 열역학의 제1법칙이라고 한다

물리학에서 열역학 제2법칙(second law of thermodynamics)은 열적으로 고립된 계의 총 엔트로피가 감소하지 않는다는 법칙이다. 열역학 2법칙을 통해 차가운 부분에 한 일이 없을 때, 열이 차가운 부분에서 뜨거운 부분으로 흐르지 않는 이유와 열원(reservoir)에서 열에너지가 모두 일로 전환될 때, 다른 추가적인 효과를 동반하지 않는 순환과정(cycle)은 존재하지 않는다는 점에 대해 설명할 수 있다. 또한 열역학 2법칙에 따르면 총 일의 생산에 있어, 열의 이동은 뜨거운 열원에서 차가운 열원으로 향한다. 따라서 영구 기관은 존재할 수 없다. 어떠한 과정에서 엔트로피 증가가 적다는 것은 그 과정의 에너지 효율이 좋다는 것을 뜻한다.

열역학 제2법칙의 모순처럼, 고립계가 아닌 계의 엔트로피는 감소하는 것으로 볼 수도 있다. 예를 들어 에어컨은 방 안의 공기를 차갑게 해주어서 공기의 엔트로피를 감소시킨다. 하지만 방 안으로부터 방출되거나 에어컨이 작동함에 따라 흡수되는 열은 항상 그 계의 공기의 엔트로피의 감소보다 많은 양의 엔트로피를 생성한다. 따라서 전체 계의 총 엔트로피는 열역학 제2법칙에 의하듯 증가한다.

역학에서 열역학의 기본 관계를 사용하여 표현된 제2법칙은 계의 일을 할 수 있는 능력의 한계를 나타낸다. 가역과정에서 미소 열 ${\displaystyle \delta q}$ 을 흡수한 온도가 T인 계의 엔트로피 변화는 ${\displaystyle {\frac {\delta q}{T}}}$로 주어진다.

통계역학은 엔트로피가 확률에 의해 지배받는 요소라는 것을 입증한다. 따라서 무질서의 감소가 닫힌계 안에서도 일어날 수 있다. 그러나 이것이 나타날 확률은 매우 작기 때문에 이러한 현상이 나타나더라도 계의 매우 적은 입자들에만 영향을 미치는 일시적인 감소이다.

물리학에서 열역학 제3법칙(third law of thermodynamics)은 엔트로피의 기본적인 개념과 관련되는 내용으로 다음과 같이 기술된다.

절대 영도에서 계의 엔트로피는 0이 된다

양자역학에 따르면 절대 영도에서 계는 반드시 최소의 에너지를 가지는 상태, 즉 바닥 상태에만 존재할 수 있다. 이러한 최소의 에너지를 가질 수 있는 상태가 한가지 뿐이라면 엔트로피는 0이 된다. 한편 보다 일반적인 표현으로

절대 영도에서 계의 엔트로피는 상수가 된다

라고 기술되며 최소에너지의 상태가 복수개로 존재할 때 이렇게 엔트로피는 상수로 수렴하게 된다. 이러한 상수값은 때론 계의 잔류엔트로피라고 불린다. 유리는 잔류엔트로피를 가지는 계의 대표적인 예 중 하나이다.

또 다른 표현으로는 '유한한 단계의 과정으로 계가 절대 영도에 도달할 수 없다.' 라는 표현이 있다.