열역학의 제2법칙과 엔트로피란?

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열역학의 제2법칙과 엔트로피

 

 

석유를 불태우고 나면 그때 발생한 열은 다시 석유로 되돌아가지 않는다. 계란을 일단 삶고 나면 다시 생계란으로 돌아가지 않는다. 흘러간 시간도 뒤로 가지 않는다. 자연계에는 이처럼 되돌아갈 수 없는 현상이 많이 있다.

 

독일의 물리학자이며 수학자인 루돌프 클라우지우스(Rudolf Clausius 1822-1888)는 1850년에 ‘열역학의 제2법칙’(Second Law of Thermodynamics and Entropy)을 나타내는 중요한 논문을 발표했다.

 

“열은 저온 물체로부터 자연적으로 고온 물체 쪽으로 흐르지 않는다.”

 

 

그는 1865년에 다시 열역학에 ‘엔트로피’(entropy)라는 개념을 도입했다. 엔트로피 개념은 물리학과 화학 및 수학에서 중요하게 취급한다. 석유를 태우면 열에너지가 발생한다. ‘에너지 보존의 법칙’에 따라, 연소한 석유에서 생겨난 가스와 수증기 등도 같은 양의 에너지를 가지고 있어야 한다. 그러나 이 에너지는 일을 할 수 없는 에너지이다. ‘엔트로피’란 이처럼 일로 변환될 수 없는 에너지의 양’을 말한다. 높은 곳에서 떨어지는 물은 에너지를 가지고 있다. 그러나 떨어지고 난 물의 에너지는 일을 하지 못한다.

 

엔트로피는 ‘시스템이 가진 무질서의 잠재성‘을 나타낸다. 그러므로 무질서하거나 불명확한 시스템일수록 엔트로피는 크다. 예를 들자면, 얼음의 분자는 질서가 있어 엔트로피가 낮다. 그러나 얼음이 녹아 물이 되면 엔트로피는 증가하고, 물이 끓어 무질서하게 분자가 운동하는 수증기가 되면 엔트로피는 더욱 커진다. 되돌아갈 수 없는 시스템은 엔트로피가 크다. 그러므로 우주의 엔트로피는 증가하고 있다.

 

열역학의 제2법칙은 클라우지우스 외에도 여러 과학자가 조금씩 다른 시기에 비슷한 내용으로 발표했다. ‘열역학의 제3법칙’은 “온도를 절대0도(섭씨 영하 273.15도, 절대온도 참조)로 내리는 것은 불가능하다.”는 것이다.

 

 

'절대온도 0도'는?