열역학 2법칙은 두 가지 해석이 있지요. 더 유명하지만 실제로 이해하는 사람은 별로 없는 버전은 "닫힌 계의 엔트로피는 줄어들 수 없다" 라는 것입니다. 뜨거운 물과 차가운 물을 섞는 것에는 특별한 노력이 필요 없지만, 두 가지를 분리하는 것은 외부 에너지 입력 없이는 불가능하다는 정도의 개념입니다.

덜 유명하지만 실제 생활에서 더 많이 사용되는 버전은 "열린 계에서 뽑아낼 수 있는 에너지는 초기 자유 에너지와 최종 자유 에너지간의 차이를 넘어설 수 없다" 입니다. 뜨거운 증기를 이용해서 증기기관을 돌릴 때, 뜨거운 증기가 상온으로 식는 과정에서 뱉어내는 에너지 이상의 출력을 뽑을 수는 없다는 정도의 개념입니다. (실제로는 시스템 온도 등이 들어가는 공식이 있고 해서 더 복잡한데, 대충 단순화해서 그렇다는 거죠)

이 2법칙을 깰 수 있을지도 모른다고 제안된 상상의 괴물이 맥스웰의 악마지요.



맥스웰의 악마를 설명한 그림이 위의 것입니다. 상자는 2개의 구역으로 나누어져있고, 초기 상태에는 양쪽 공기의 온도는 동일합니다. 그리고 맥스웰의 악마는 그 중간벽에 달린 작은 문을 열 거나 닫을 수 있지요. 이 악마는 빠른 공기 분자는 오른쪽으로 갈 때만 문을 열어주고, 느린 공기 분자는 왼쪽으로 갈 때만 문을 열어줍니다. 그럼 시간이 지날수록 오른쪽 구역은 빠른 분자들만 모이게 되고 (즉, 뜨거워지고), 왼쪽 구역은 느린 분자들만 모이게 됩니다 (즉, 차가워집니다).

맥스웰 악마 패러독스는 많은 논문에서 논의되었고, 이 패러독스는 '해결되었다' 라는 것이 1980년대까지의 중론이었습니다.

근데 21세기의 나노 기술 발달로, 이 맥스웰의 악마를 실제로 만들어보려는 시도들이 있었어요. 그러면서 점점 '되는데요?' 라고 주장하는 논문들이 나오기 시작했고, 이 분야가 열역학 분야에서 꽤 논쟁이 심한 분야가 되었습니다. 기본적으로 양자 역학 쪽에서는 깨진다는 것이 이미 증명된 것 같더군요 (https://www.nature.com/articles/srep32815)

그리고 이번에 Physical Review Letters 에 새로 실린 논문을 보면 (한국 연구소네요. 모르는 분들이지만, 괜히 자랑스럽습니다), 양자 수준이 아니라 거시 수준에서도 기존의 열역학 2법칙이 깨짐을 양적으로 증명했습니다.
https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.120.020601

이 논문을 보면, 브라운 운동 (이공 계층이니 이 운동 설명은 패스) 를 Optical tweezer 를 이용해서 rectify 해버렸는데, 그 결과 균일한 온도의 bath 속에 있는 입자들을 특정 방향으로 움직이게 하는 데 성공했습니다. 균일 온도니까 자유 에너지 소모는 없고, 외부에서 해준 일도 없습니다. 즉 기존의 열역학 2법칙이 깨진 거지요.

기존의 열역학 2법칙이 깨졌다고 해서 니콜라 테슬라의 무한 에너지원이 사실이었다!!!! 이런 건 아닙니다. 하지만 열역학 2법칙이 크게 확장될 거라는 논평들이 이런저런 미디어에 올라오네요. 이공계열이시고 영어 되시는 분들은 다음의 기사를 읽어보세요. 전공자가 아니어도 알아들을 수 있게 잘 설명해놓았습니다.
https://phys.org/news/2018-01-efficiency.html