엔트로피(Entropy), 열역학 제2법칙

엔트로피(Entropy), 열역학 제2법칙

개요

엔트로피는 열역학과 통계역학에서 중요한 개념입니다.

엔트로피는 물질의 열역학적 상태를 나타내는 물리량 중 하나로, 계(system)에서 에너지의 흐름을 설명할 때 이용되는 상태함수입니다. 일반인들에게는 주로 무질서도(randomness 또는 disorder)라는 개념으로 알려져 있지만, 실제로는 통계역학적으로 주어진 거시적 상태에 대응하여 나타나는 모든 미시적 상태 수의 로그값을 의미합니다.

열역학 제2법칙에 따르면, 전체 계의 엔트로피는 항상 증가하는 방향으로 일어난다고 합니다. 즉, 우주 전체의 엔트로피가 감소하는 변화 현상은 일어날 수 없습니다. 이는 시간에 따라 증가하는 엔트로피의 특성을 보여줍니다.

엔트로피(Entropy)의 도입

엔트로피의 개념은 1865년 독일의 물리학자 루돌프 클라우시우스에 의해 처음 도입되었습니다. 그는 이 개념을 통해 자연현상의 물질의 상태 또는 에너지 변화의 방향을 설명하였습니다.

 

엔트로피는 상태함수로서, 시작 엔트로피(Si)와 최종 엔트로피(Sf)의 차이로 표현됩니다. 온도가 일정한 상태에서는 엔트로피 변화는 가역반응에서 전달된 열(qrev)을 온도(T)로 나눈 값으로 표현됩니다.

이러한 열역학 제2법칙을 수식으로 표현하면, 가역적인 과정에서 우주의 엔트로피 변화는 0이며, 비가역적인 과정에서는 0보다 큽니다. 즉, 우주의 엔트로피는 시간이 지남에 따라 항상 증가합니다.

통계역학적으로 볼 때, 분자 수준의 엔트로피 이해를 위해 루드비히 볼츠만은 특정 순간의 분자들의 모든 움직임들을 미세상태로 규정하였습니다. 그는 이를 통해 열역학적인 엔트로피 정의에 통계역학적 개념을 추가하여 미시세계를 연결하는 볼츠만 방정식을 만들었습니다.

맺음말

엔트로피는 열역학과 통계역학에서 중요한 개념이며, 우리가 살아가는 우주의 기본적인 법칙 중 하나를 설명해줍니다. 이처럼 물리학의 깊은 이해를 통해 세상을 바라보는 시각을 넓혀가는 것은 매우 흥미롭고 가치 있는 일입니다.

엔트로피 시간 화살표