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엔트로피

Abstract

  • 엔트로피는 쉽게 표현하면 ‘무질서도’, 어떤 계의 '무질서한 정도’를 측정하는 물리학적 양이다. 더 정확히는 균질성의 정도다.
  • 열기관이 열을 이용해 역학적인 일을 할 때 항상 낭비되는 열량이 있는데, 이때 낭비되는 열이 엔트로피다.
  • 엔트로피는 어떤 계가 취할 수 있는 미시적인 상태의 수로 결정된다. (볼츠만, 1877)

열역학 제2법칙

  • 열은 항상 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐른다.
  • 뜨거운 물에 얼음을 넣으면 얼음이 녹는 것, 추운 방에 보일러를 돌리면 방의 온도가 높아지는 것 모두 제2법칙이다.

엔트로피의 방향

  • 엔트로피는 항상 증가한다.
  • 미시적인 상태의 수가 증가하면 엔트로피가 커진다.
  • 맑은 물에 잉크 한 방울을 떨어뜨리면 한참 뒤 전체 물이 흐려진다. 잉크의 분자가 물 전체에 골고루 퍼지기 때문이다. 잉크 분자들이 한 방울에 모여있는 경우의 수가 골고루 퍼져있을 경우의 수보다 훨씬 크다.
  • 따라서 잉크 분자는 물 전체로 퍼져 있을 때 엔트로피가 크다. 제2법칙에 따르면 한 방울의 잉크 분자들이 물 전체로 퍼져나가는 현상은 가능해도, 퍼진 잉크 분자들이 한 방울로 모이는 현상은 불가능하다.
  • Q: 고체 -> 액체 -> 기체 순으로 엔트로피가 증가한다고 이해해도 될까? 얼음이 녹는 것, 물이 끓어 수증기가 되는 것 모두 분자의 무질서함이 증가하는 것, 즉 엔트로피가 증가하는 모습이니까?

부분적인 엔트로피의 감소

  • 부분적으로 엔트로피를 감소시킬 수는 있다. 하지만 이때 에너지를 필요로 하며, 이 에너지의 사용으로 인해 엔트로피가 증가한다.
  • 이때 증가한 엔트로피가 감소한 엔트로피보다 크기 때문에 작은 계는 엔트로피가 감소할 수 있지만, 우주적으로 봤을 때 전체 엔트로피는 증가해버린다.
  • 냉장고 안은 차갑게 유지되고, 냉장고 밖 열판은 뜨거워진다. 온도가 낮은 곳에서 높은 곳으로 열이 흐르는 것처럼 보인다. 하지만 냉장고의 핵심은 전기 에너지를 물리 에너지로 바꾸는 모터다. 이 과정에서 전체 엔트로피는 증가한다.
  • 물에 퍼뜨린 잉크를 외부 에너지로 한 곳에 모으면 엔트로피가 감속한 것처럼 보이지만, 외부 에너지를 생각하면 전체 엔트로피는 증가한 것이다.

열죽음

  • 우주 전체의 엔트로피가 계속 증가하면, 언젠가는 결국 엔트로피가 최대가 된 상태(열죽음)이 된다. 사용할 수 있는 자유 에너지가 없는 상태이므로 열역학적 종말을 맞게된다.

참고자료

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