엔트로피 쉽게 설명해보자~!

 

엔트로피란 무엇일까?

 

사진출처만 : 네이버 지식백과

 

우선~! 네이버 사전의 링크 한번씩 읽어보시고 다시 제가 정리한 글을 읽어보시기 바랍니다.

https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1125759&cid=40942&categoryId=32233

요약1

자연 물질이 변형되어, 다시 원래의 상태로 환원될 수 없게되는 현상을 말한다. 에너지의 사용은 결국 사용가능한 에너지가 손실되는 결과를 가져온다.

강쌤 피셜1 : 위 요약을 보시면 자연 물질이 변형되어 다시 돌아오지 못하는 상태를 엔트로피라고 나타내는데요. 정확히 요약하면 자연 물질이 변형되어 다시 돌아오지 못하는 상태를 엔트로피 증가의 법칙이라고 합니다. 이를 정확히 정리를 하자면 엔트로피란 무질서한 정도의 함수란걸 기억하셔야 됩니다.

요약2

열역학에서 중요한 제1법칙은 에너지보존의 법칙, 즉 우주에 존재하는 에너지 총량은 일정하며 절대 변하지 않는다는 것이다. 제2법칙은 대부분 자연현상의 변화는 어떤 일정한 방향으로만 진행한다. 즉, 이미 진행된 변화를 되돌릴 수 없다는 의미이다. 따라서 자연계의 변화는 엔트로피의 총량이 증가하는 방향으로 진행된다. 이것을 엔트로피 증가의 법칙이라 한다. 즉 가용할 수 있는 에너지는 일정한데 자연의 물질은 일정한 방향으로 만 움직이기 때문에 무용한 상태로 변화한 자연현상이나 물질의 변화는 다시 되돌리 수 없다는 것이다. 즉 다시 가용할 수 있는 상태로 환원시킬 수 없는, 무용의 상태로 전환된 질량(에너지)의 엔트로피(entropy)고 한다.

강쌤 피셜2 : 요약 2에서 말하듯 제2법칙은 대부분 자연현상의 변화는 어떤 일정한 방향으로만 진행한다. 라고 나와있습니다. 이말은 어떤 물질이든 우리가 현재 살고있는 이 우주란 곳에서의 원자든 분자든 외부의 간섭이 없다면 무조건 무질서한정도가 커지는 쪽으로 변하게 됩니다. 이는 물이 자연증발하는 원리와같습니다. 물을 땅이든 어디든 뿌려두면 아무런 에너지나 일을 하지 않았지만 자연스레 증발하여 기체로 변하죠. 이것은 물의 분자가 점점 무질서 해지면서 서로간의 거리가 멀어지게 되고 결과적으로 기체로 변하게 되는 원리와 같습니다.

또한 물리학자 클라우지우스는 열역학 제1법칙을 고안한 카르노의 이론과 줄의 이론의 모순을 이 엔트로피로 정리를 하게 됩니다. 우리가 기본적으로 알고있는 열역학 제1법칙 열은 "고온에서 저온으로 이동한다." 이때 카르노는 열은 고온에서 저온으로 이동하지만 에너지(칼로리)는 보존된다 라고 했죠. 하지만 줄은 총열원(고열원)=일+남은열원(저열원)이라고 주장하게 됩니다. 그럼 카르노는 에너지가 보존된다고 했는데 줄의 입장에서 보면 총열원은 같으니 이때 일이란 개념은 총열원에서 일을하고 남은열이 최종에너지(칼로리)가 되므로 그 양은 감소하게 되죠.

이런 모순을 클라우지우스가 배제시켜 아래와 같은 이론을 탄생시킵니다.

"열은 높은곳에서 낮은곳으로 흘러간다 하지만 칼로리는 보존되지 않는다." 즉 모든 에너지는 열로부터 발생되며 이 고열원은 일을하게되고 저열원으로 이동하게 된다. 하지만 저열원에서 고열원으로 이동을 시키기 위해서는 또다른 저온체가 필요하다. 

더 쉽게 정리하면 외부로부터 아무런 영향을 받지 않는 물질은 자연스럽게 높은 온도에서 낮은 온도로 이동하게 된다. 하지만 부자연스러운 상황(예:마찰열, 열기관 등 저온에서 고온으로 이동시)을 발생시키기 위해선 반드시 일을 해주거나 열을 가해야된다. 즉 열역학 2법칙의 기초를 닦은 이론이 탄생하게 됩니다. 

강쌤 피셜3 : 클라우지우스가 위와 같이 정리를 하였지만 왜 열이 고온에서 저온으로 이동하는지에 대해서는 알아낼 수 없었습니다. 이후 윌리엄 톰슨이 클라우지우스의 업적을 바탕으로 왜 열이 고온에서 저온으로 이동하는지에 대해 연구하기 시작하였고 이런 이론을 제안하게 됩니다.

어떤 열기관의 고열원이100일때 이 100이라는 열을 100의 일로 바꿀 수 있을까? 이는 불가능하죠. 이말은 어떤 수조에 담겨있는 물이 아무런 외부영향(진동 및 충격)없이 혼자서 넘처버리는 것과 같다 라는 말이니까요. 또한 이와 마찬가지로 열의 이동을 만들어 주는 무언가가 없다면 열을 일로 바꾸는 일또한 불가능하다는 말입니다.

이러한 추론을 통해 열을 일로전환하기 위해서는 반드시 열손실이 필요하다 라는걸 발견하게 됩니다.

그러므로 다시 정리를 하자면 자연계에서 열은 차가운곳에서 뜨거운곳으로 이동할 수 없고 열은 자연스럽게 손실되는 방향으로만 이동이 가능하며 그 손실량은 일로 나타나면서 물체에 움직임을 발생시켜 엔진 등을 운전하게 됩니다.

이를 토대로 다시 클라우지우스가 수학적 공식으로 위 이론을 정리해버리는데요.

dS=dQ/T 이때 정리되어 나온공식과 개념을 엔트로피라고 합니다.

위 공식을 토대로 이 세상의 모든 물질은 자신의 열을 잃어가고 있으며 온도가 감소하고 온도가 감소하는 만큼 엔트로피는 증가하게 됩니다. 그래서 열역학 제2법칙을 엔트로피의 법칙이라고 하는것이죠.

즉 사람이 살아가는 현상태가 엔트로피가 증가하고 있는 상태입니다. 우리가 나이를 먹어가면 흔히 늙는다고 하지요. 그런데 우리가 젊은시절로 돌아갈수 없는 이유는 엔트로피는 비가역상태(현재의 실제상태:손실이 존재)의 경우 엔트로피는 증가하는 방향으로만 변할 수 밖에 없기 때문이죠.

마지막으로 엔트로피는 무질서도가 클수록 크다라고 나타내며 상태수가 클수록 크다 라고 나타냅니다. 따지고보면 상태수가 커질 수록 무질서한 정도가 커질 테니까요. 즉 자연계에서 물은 점점 무질서도가 큰 기체쪽으로 변하게 되는것이고 반대로 물을 무질서도가 작은 얼음으로 바꾸기위해서는 외부의 일(저온체)을 가해줘야 되는것이죠. 이게 우리가 살고있는 현 자연계의 실제적 법칙 열역학 제2법칙이며 엔트로피의 법칙입니다.

후기 : 엔트로피에 대한 질문이 너무많아 나름 자료란 자료는 다모아서 정리를 해보았습니다. 이걸 영상으로 촬영하기엔 많이 버거워 글로써 정리한점 양해를 부탁드리고요. 부족하지만 조금이나마 도움이 되셨으면 좋겠습니다. 이상한 부분있으면 댓글 남겨주시면 적극 검토해보겠습니다. ^^

마지막으로 엔탈피, 엔트로피 완전히 다른거니 혼동하지 마세요. 이름 비슷하다고 가족은 아니잖아요~!