영구기관( Perpetual motion machine)

영구기관의 개요와 정의

Perpetual motion machine. 영구기관이란 외부로부터 에너지 혹은 에너지원을 공급 받지 않고도 외부에 대하여 영원히 일을 계속하는 가상의 기관을 말한다. 이를 제1종 영구 기관이라고 분류하기도 한다.

확장된 개념으로 열원에서 공급한 열을 100% 역학적인 일로 바꿀 수 있는 제2종 영구 기관도 있다. 각각은 열역학 제1법칙(에너지 보존의 법칙), 열역학 제2법칙(엔트로피의 법칙)에 위배되므로 실제로는 존재하지 않는다. 

이외에도 외부에 일을 하지 않으면서 운동을 계속 하는 기관을 제3종 영구 기관이라고도 하는데, 제3종 영구기관의 경우 물리 법칙에 위배되지는 않는다.

제 1종 영구기관

외부로부터 에너지 혹은 에너지원을 공급받지 않고 외부에 대하여 영원히 일을 계속하는 가상의 기관. 

열역학 제1법칙(에너지 보존의 법칙)을 어기므로 당연히 현실 세계에선 존재하지 않는다.

일반적으로 영구 기관이라고 하면 제1종 영구 기관을 뜻하며 제2종 및 제3종의 경우 확장된 개념이다. 

영구 기관의 조건이라고 주장되는 다음의 항목들도 제1종 영구 기관이다.

1. 외부에서 에너지를 공급받지 않고 계속 일을 할 수 있어야 한다.

2. 순환과정으로 이루어져야 하며 1회 순환이 끝나면 초기 상태로 되돌아와야 한다.

3. 순환과정이 한 번 반복될 때마다 외부에 일정량의 일을 해야 한다.

중요한 것은 외부에서 에너지를 지속적으로 받지 않으면서 외부에 에너지를 지속적으로 공급할 수 있어야 한다는 것이다.

제 2종 영구기관

열에너지를 100% 역학적 에너지로 전환 가능한 가상의 기관. 

열역학 제2법칙(엔트로피의 법칙)을 어기므로 역시나 현실에서는 존재할 수 없다. 열이 스스로 저온에서 고온으로 이동하도록 하는 것과 같이 엔트로피의 법칙을 어기는 일을 해야 하기 때문. 

제2종 영구 기관은 공급된 열에너지를 역학적 에너지로 모두 전환하면 작동을 멈추는데, 제2종 영구 기관은 기존의 영구 기관(=제1종 영구 기관)이 열역학 제1법칙을 어긴다는 점에 착안하여 열역학 제2법칙에 대해서 확장한 개념으로 영원히 일을 계속하는 기관이 아니다.

ex)  바닷물을 이용하는 엔진

• 작동 원리: 배가 앞쪽의 바닷물을 빨아들여 열을 빼앗아 일을 하고 차가운 물은 뒤로 흘려보낸다.
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• 모순점: 바닷물에서 빼앗은 열만큼 일을 하므로 에너지 보존 법칙에 위배되지 않지만, 온도가 낮은 바닷물에서 뜨거운 엔진으로 열을 이동시킬 수 없다.

제 3종 영구기관

외부에서 에너지를 공급 받거나 외부에 일을 하지 않으면서 운동을 영원히 지속하는 기관. 제1종, 제2종과는 달리 물리 법칙을 전혀 어기지 않는다. 앞의 두 종의 영구 기관이 이론적으로도 불가능한 반면 제3종 영구 기관의 경우 이론적으로는 물론 실제로도 근접한 수준으로 만들 수 있다. 

마찰이나 저항이 거의 없으면 구현이 가능한데, 대표적으로 초전도체는 저항이 0이기 때문에 초전도체 내부에서 움직이는 전자는 거의 영원히 운동을 계속한다. 우주 공간의 경우에도 저항이 거의 없기 때문에 지구는 수십억 년 동안 태양 주위를 공전해 왔다. 에너지 저장에 사용되는 플라이휠도 저항이 매우 작기 때문에 제3종 영구기관에 가까운 장치라고 할 수 있다.

초전도체의 모습

1995년에 만들어진 초전도체에는 그 당시 흘려놓은 전류가 아직까지 변함없이 잘 흐르고 있다.