엔트로피와 열역학 제2법칙
열역학 제2법칙
엔트로피는 계의 에너지가 얼마나 퍼져 있고 무질서한지를 잰다. 열이 물체로 흘러들면 엔트로피는 증가하고, 제2법칙은 '고립된 계의 총 엔트로피는 결코 줄지 않고, 같거나 커지기만 한다'고 말한다. 그래서 열은 항상 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 저절로 흐르고, 기관이 결코 모든 열을 유용한 일로 바꿀 수 없는 것이다.
공식
ΔS = Q / T
- ΔS — 엔트로피 변화 (J/K): 계의 엔트로피가 얼마나 증가하는가
- Q — 열 (J): 계로 흘러드는 열 에너지
- T — 온도 (K): 열이 가해지는 절대 온도
풀이 예제
300 K로 유지되는 큰 물탱크에 600 J의 열이 흘러든다. 물의 엔트로피는 얼마나 증가합니까?
- Q = 600 J
- T = 300 K
- ΔS = Q / T
- ΔS = 600 J / 300 K
ΔS = 2 J/K
스스로 확인하기
같은 600 J의 열이 이번에는 300 K가 아닌 200 K의 더 차가운 탱크로 흘러든다. 엔트로피 변화는?
- 1200 J/K
- 정답: 3 J/K
- 0.33 J/K
맞았습니다! ΔS = 600 J ÷ 200 K = 3 J/K. 더 차가운 물체가 같은 열에 대해 더 큰 엔트로피를 얻습니다.
뜨거운 커피에서 더 차가운 방 공기로 열이 흐르는 이유는 무엇입니까. 결코 반대로는 일어나지 않는데?
- 정답: 그 방향이 총 엔트로피를 증가시키기 때문
- 그 방향이 총 엔트로피를 감소시키기 때문
- 어느 방향이든 엔트로피가 정확히 같기 때문
그렇습니다 ― 같은 열이더라도 더 차가운 공기에서 엔트로피 증가가, 뜨거운 커피에서 빠져나가는 엔트로피보다 커서, 총 엔트로피가 증가합니다.
어디서 볼 수 있나요
뜨거운 커피는 방 온도까지 식고 결코 저절로 다시 뜨거워지지 않는다; 떨어뜨린 머그컵은 산산이 부서지고 결코 다시 조립되지 않는다; 음료 속 얼음은 녹아서 그 속에서 결코 다시 얼지 않는다. 이런 되돌릴 수 없는 일상 사건들 하나하나가 열역학 제2법칙이 모습을 드러낸 것이다 — 각각은 그 방향이 총 엔트로피를 증가시키기 때문에 바로 그렇게 일어난다.
흔한 오해
엔트로피를 '어질러짐'의 막연한 동의어로 취급하면 실제 계산을 놓치게 된다: 변화량은 열을 온도로 나눈 것이어서, ΔS = Q / T에 따라 300 K 탱크에 600 J가 흘러들면 엔트로피가 2 J/K만큼 커진다. 다음은 직관에 반하는 절반이다: 같은 600 J이 더 차가운 200 K 탱크에 들어가면 3 J/K이 된다 — 더 차가운 물체가 같은 열로부터 더 많은 엔트로피를 얻으며, 이것이 바로 열이 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 흐르고 결코 되돌아가지 않는 이유이다. 이 법칙이 다스리는 것은 고립된 계의 총 엔트로피이다; 냉장고는 다른 곳의 엔트로피를 높이는 방식으로만 내부를 차갑게 만든다.
어떻게 연결되는가
제2법칙은 이 모듈의 앞선 두 가지 '결코 일어나지 않는다'의 근원이 되는 '결코'이다: 열이 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로만 흐른다는 사실(열량 측정의 첫 사실)과, 어떤 기관도 완전한 변환에 이르지 못한다는 사실(카르노 한계)은 둘 다 엔트로피 장부 정리이다. 이것으로 열역학 단원이 마무리되는데, 물리학의 기본 법칙 가운데 시간의 방향이 내장된 것은 이 법칙이 유일하다 — 우주의 총 엔트로피는 되돌릴 수 없이 계속 올라간다.