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석탄이나석유등과같은에너지를사용하지않고도끊임없이일을할수있는장치를만들수는없을까?열기관의효율을높이기위한생각은결국영구기관이라고하는열효율이100%인열기관을만들려는시도로이어졌다.영구기관은소모하는에너지보다더많은에너지를생산하는기관,즉소모하는에너지에대응하는일보다더많거나같은양의일을하는가상의기관을말한다.예를들어,자동차의엔진을영구기관으로만들면한번기름을넣은후에는자동차가고장나기전까지계속움직일수있다는것이다.중세에는물체가멈추지않고영원히움직인다면,그것을이용해영구기관을만들수있을것으로생각했다.하지만현재의과학법칙으로는영구기관을만드는것이불가능하다.왜냐하면,열기관이나기계,운송수단등에너지가사용되는과정에서부수적으로열이발생하기때문이다.영구기관은크게제1종영구기관과제2종영구기관으로나눈다.제1종영구기관은에너지의공급없이도순환과정에서외부에일을하는것이다.하지만제1종영구기관은열역학제1법칙에위배된다.열역학제1법칙인에너지보존법칙에의하면어떠한기관도공급한에너지보다더많은일을할수없기때문이다.제1종영구기관의대표적인예가수차모형이다.이영구기관은떨어지는물로수차를돌리고이수차가떨어진물을다시위로퍼올리는것과동시에외부에일을하도록설계되어있다.그러나수차영구기관이실제로작동하려면떨어진물을계속원래의높이로퍼올려야하는데그렇게되면물의위치에너지는처음과변화가없게되므로에너지보존법칙에의해일에쓰일수있는에너지가남지않는다.게다가수차의마찰과저항때문에에너지가손실되므로같은양의물을원래높이로퍼올리는것도불가능하다.19세기후반과학자들은에너지보존법칙인열역학제1법칙의비가역성을설명하기위해열역학제2법칙이라는새로운원리를발표하였다.이법칙으로자연계에서일어나지않는과정이어떤것들인가를설명할수있게되었다.열역학제1법칙이과정전과후의에너지를양적으로다루는데비하여,열역학제2법칙은에너지가흐르는방향을다루고있다.제2종영구기관은하나의열원으로부터열을흡수하여이것을그대로외부에대한일로계속바꾸는기계를말한다.제2종영구기관은열역학제1법칙인에너지보존법칙에위배되지않으나가능하지는않다.왜냐하면제2종영구기관이작동하는데필요한일은자발적으로는일어나지않기때문이다.만약제2종영구기관이가능하다면,이기관을방안에두면방안의열에너지로일을할수있고,배에달면연료없이도바닷물의열에너지로배가계속움직일수있다.또이영구기관으로냉난방기를만들어창문에달면전기가없이도여름에는방안의열을밖으로내보내는냉방기로,겨울에는이기관을반대로돌려외부의열을방안으로보내는난방기로사용할수있다.하지만이것역시불가능하다.왜냐하면,차가운물체에뜨거운물체를접촉시키면뜨거운물체에서차가운물체로는열이전달되지만,반대의과정은자발적으로는일어나지않기때문이다.자연계에서열은항상온도가높은곳에서낮은곳으로자발적으로이동한다.하지만냉장고나에어컨처럼열이낮은온도에서높은온도로이동하기위해서는반드시에너지를공급해주어야한다.결국제2종영구기관은열역학제2법칙에위배되기때문에불가능하다.