열역학 제1법칙

패쇄된 열역학계 안에 들어있는 전체 에너지 양은 변하지 않는다. 계의 내외로 에너지의 유출입이 없는 폐쇄 열역학계에서는 그 계안에 들어 있는 여러 형태의 에너지, 즉 열에너지, 운동에너지, 위치에너지, 전기에너지, 화학에너지 등은 각각 다른 형태의 에너지로 변환될 수는 있지만 변환된 후 각 에너지를 모두 더한 전체 에너지는 변화되기 전의 각 에너지를 모두 더한 전체 에너지와 달라지지 않는다.

이 열역학 제1법칙을 에너지 보존의 법칙이라고도 한다. 에너지 보존법칙에 의하여 제1종 영구기관이 존재할 수 없음이 증명된다. 



열역학 제2법칙

 열은 온도가 높은 위치에서 낮은 위치로 저절로 흐르지만 낮은 위치에서 높은 위치로 저절로 흐르는 일은 없다. 이와 같이 변화가 한쪽 방향으로만 일어나고 그 반대방향(역방향)으로는 일어나지 않는 자연법칙을 열역학 제2법칙 또는 불가역성의 법칙이라 한다. 

 접시에 담긴 맑은 물에 잉크를 한 방울 떨어뜨리고 기다리면 저절로 잉크가 물에 풀어지지만 물에 풀린 잉크가 저절로 다시 모여 잉크 방울이 되면서 접시 물을 맑은 물로 만들지는 않는다. 이 현상이 불가역성의 법칙을 잘 설명하고 있기 때문에 불가역성의 법칙을 '잉크방울의 법칙'이라고 하기도 한다.

 불가역성의 법칙에 의하여 제2종 영구기간이 존재할 수 없다는 것이 증명된다.

 열의 유출입이 없는 폐쇄된 열열학계에서는 그 계 안의 에너지 총량은 변하지 않고 일정하다.

 이 계 안의 열이 고온부에서 저온부로 이동하면(이 현상은 저절로 일어난다),  고온부의 온도가 낮아지면서 그 열 중의 일부가 다른 형태의 에너지(예를 들면 운동에너지)로 변환될 수 있지만(저온부를 덥히는 데 사용되는 이 외에는 다른 에너지로 100% 변화될 일은 없다) 변환된 것 이 외의 에너지는 고온부의 온도를 높이는 데 사용된다.

 이계 안에서는, 일단 한 번 사용된 에너지는 고온부의 온도를 높이는데 다시 사용될 수 없다. 즉 이 변화는 불가역적인 변화이다. 이것은 열이 억제된 상태(고온상태=특수상태=덜 자유로운 상태)에서 좀 더 자유로운 상태(저온상태=일반적인 상태)로 변화하려고 하는 자연계의 법칙 때문이다. 이러한 현상이 열역학 제2법칙, 즉 불가역성 법칙이다.



엔트로피

이렇게 하여 이 폐쇄계에서는 자유로운 상태가 점점 증가할 뿐, 감소하지는 않는다.

이 자유로운 상태가 증가하는 것을 엔트로피가 증가한다고 한다.

엔트로피는 열역학적으로는 다시 사용할 수 없는 에너지 상태(소모된 에너지 상태)를 의미한다. 우리가 속해 있는 이 우주도 하나의 열역학적 폐쇄계로서 우주 전체적으로는 한 번 소모된 에너지, 즉 한 번 증가된 엔트로피는 감소하지 않는다.

열의 유출입이 없는 폐쇄된 열역학계 안에서 고온부이 열이 저온부로 저절로 흐르기 때문에 이 계 안에서의 엔트로피는 계속 증가한다. 엔트로피가 증가한다는 것은 사용 가능한 에너지가 사용 불가한 에너지로 변해가고 있다는 뜻이다. 역시 우리의 우주 안에서도 이와 같이 엔트로피는 계속 증가하고 있다. 이것을 엔트로피 증가의 법칙이라 한다.





열역학 제3법칙

절대온도 0K에 가까운 매우 낮은 온도에서는 엔트로피 값이 0이다. 무결함결정체가 아닌 경우에는 절대온도 0 k 에 가까운 매우 낮은 온도에서의 엔트로피 값은 상수이다.

엔트로피 값이 0 이거나 상수이면 열은 더 이상 이동되지 않는다.

 이와 같은 형상으 열역학 제3법칙 또는 엔트로피 0 의 법칙이라 한다. 이렇게 된다는 것은 이 열역학계 안에서 더 이상 열이 흐르지 않게 되는 것이기 때문에 에너지 변환이 더 이상 일어나지 않는다는 것을 의미한다. 따라서 모든 변화가 정지된다. 



열전도

열이 물체의 유동과 상관하지 않고 그 물체를 통과하여 흐르는 현상을 열전도라 한다.
열전도는 온도차가 있는 모든 사태(즉, 고체상태, 액체상태. 기체상태)의 물체에서 발생한다.

 열전도율
금속막대는 나무막대에 비하여 열을 잘 전한다는 것을 우리는 경험을 통해 잘 알고 있다. 이화 같이 물체의 종류에 따라 열이 통과하는 정도가 다르므로, 그것을 정확하게 나타내기 위하여 일정한 조건 속에서 물체를 통과하는 열량을 측정하여 이것을 열전도율이라 하고 그 물체의 열전도성을 나타내는데 사용한다. 당연히 열을 잘 전하는 금속막대는 그렇지 않은 나무 막대에 비하여 열전도율이 높다.
열전도율을 측정하는 데 사용하는 조건은 다음과 같다.열은 물체 속에서 온도가 높은 위치를 향하여 방향성을 가지고 전도된다. 이때 열이 흐르는 방향을 열류방향이라 하겠다. 이 열류방향에 직각인 양 벽면 및 이 벽면과 나란한 모든 면이 단면이 된다. 
어떤 물체를 벽체에서와 같이 열이 일정한 방향으로 흐를 때, 열류방향의 단위 거리의 양 끝에 설정한 단위 단면적 간의 온도차가 단위 온도차인 경우, 단위시간동안에 두 단면적을 포함하는 그 사이의 임의의 단면적 하나를 통과하는 열량이 그 물체의 열전도율이다. 이 열전도율을 ⋋, 열류방향의 단위 거리를 ⋋, 열류방향의 단위 거리를 , 임의 단면의 단면적면을 , 단위거리의 양 끝에 위치하는 두 단면적 사이의 온도차를 ,(온도가 높은쪽단면의 온도를 , 낮은 쪽 단면의 온도를 라 하면 열역학 제2법칙에 의하여 의 단면쪽에서 의 단면 쪽으로 열이 흐른다. 두 단면 간의 온도차 는 이다.),
열이 통과하는 시간을 라 하면 두 단면적 사이에서 이 물체를 통하여 전도된 열량 는 다음 식으로 결정된다.