나뭇잎 교과서

엔트로피와 비가역 현상

뜨거운 커피는 저절로 식지만, 식은 커피가 저절로 뜨거워지지는 않습니다. 향수 냄새는 방 안에 퍼지지만 다시 병으로 모이지 않습니다. 에너지 보존 법칙은 두 방향을 모두 허락하는데, 자연은 왜 한 방향으로만 갈까요? 답은 ‘경우의 수’에 있습니다.

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엔트로피와 비가역 현상

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방 한구석에서 향수병을 열면 향기가 곧 방 전체로 퍼진다. 그런데 퍼진 향기가 저절로 다시 병 속으로 모여드는 일은 본 적이 없다. 뜨거운 커피는 식지만 식은 커피가 저절로 데워지지는 않는다. 에너지 보존 법칙은 어느 쪽도 막지 않는데, 자연은 왜 한쪽 방향으로만 일어날까?

그림 1. 칸막이 없는 상자 속 분자 \(N\)개가 각각 왼쪽, 오른쪽에 있을 확률은 반반이다. 모두 왼쪽에 모일 확률 \(\left(\frac{1}{2}\right)^N\)은 분자 수가 늘수록 급격히 작아진다.
먼저 알아야 할 것경우의 수와 확률(확률과 통계), 열기관과 열효율(열기관과 열효율), 확산(중학교).

2.5.1가역 현상과 비가역 현상

진자의 운동을 찍은 영상을 거꾸로 돌려도 이상해 보이지 않는다. 마찰이 없다면 거꾸로 일어나는 운동도 물리 법칙에 맞기 때문이다. 이렇게 거꾸로도 저절로 일어날 수 있는 현상을 가역 현상이라 한다. 반대로 잉크가 물에 퍼지는 영상을 거꾸로 돌리면 금방 이상하다는 것을 안다. 저절로는 한 방향으로만 일어나는 현상을 비가역 현상이라 한다. 열이 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 흐르는 것, 마찰로 운동 에너지가 열이 되는 것은 모두 비가역 현상이다.

2.5.2경우의 수로 본 방향

분자 4개가 상자에 있으면, 각 분자가 왼쪽이나 오른쪽에 있는 배치는 \(2^4 = 16\)가지이다. 모두 왼쪽에 있는 배치는 1가지뿐이고, 2개씩 나뉜 배치는 \({}_4\mathrm{C}_2 = 6\)가지이다. 분자는 무작위로 움직이므로 모든 배치가 똑같이 일어나기 쉽고, 따라서 경우의 수가 많은 고르게 퍼진 상태가 더 자주 나타난다.

그림 1에서 분자 수를 늘려 보자. 10개이면 모두 왼쪽에 모일 확률이 약 1000분의 1, 60개이면 \(10^{-18}\)쯤이다. 실제 방 안의 공기 분자는 \(10^{27}\)개쯤이므로 저절로 한쪽에 모이는 일은 사실상 일어나지 않는다. 그래서 자연은 경우의 수가 적은 상태에서 많은 상태로 나아간다.

정리 2.5.1 열역학 제2법칙 (엔트로피 증가 법칙)

무질서한 정도, 곧 한 상태가 될 수 있는 경우의 수를 나타내는 양을 엔트로피라 한다. 고립된 계에서 자연 현상은 엔트로피가 증가하는 방향으로 일어난다.

왼쪽 개수01234 경우의 수14641
그림 2. 분자 4개의 16가지 배치 가운데 반반으로 나뉜 상태가 6가지로 가장 많다. 분자가 많을수록 이 쏠림이 압도적이 된다.

열기관이 열을 모두 일로 바꿀 수 없는 것도 같은 까닭이다. 질서 있게 한 방향으로 움직이는 일은 무질서한 분자 운동인 열로 쉽게 바뀌지만, 그 반대는 엔트로피를 줄이므로 저절로 일어나지 않는다. 그래서 반드시 일부 열을 저온으로 버려 엔트로피를 늘려야 한다.1

2.5.3예제 풀이

예제 2.5.2

상자 속 분자 10개가 무작위로 왼쪽, 오른쪽에 있다. 모두 왼쪽에 있을 확률과 정확히 5개씩 나뉠 확률을 구하여라.

전체 배치는 \(2^{10} = 1024\)가지이다. 모두 왼쪽인 배치는 1가지이므로 확률은 \(\dfrac{1}{1024} \approx 0.001\)이다.

5개씩 나뉘는 배치는 \({}_{10}\mathrm{C}_5 = 252\)가지이므로 확률은 \(\dfrac{252}{1024} \approx 0.25\)이다. 반반인 상태가 모두 한쪽인 상태보다 252배 일어나기 쉽다. 분자 수가 많아질수록 이 비는 상상할 수 없을 만큼 커져, 퍼진 향기가 병으로 돌아올 확률은 0과 다름없다.

아래 탐구 카드에서 분자 수를 바꾸며 한쪽에 모일 확률이 얼마나 빨리 작아지는지 직접 계산해 보자.

  1. 냉장고는 안쪽의 열을 바깥으로 내보내 안쪽의 엔트로피를 줄인다. 그러나 전기 에너지를 써서 바깥에 더 많은 열을 버리므로, 냉장고와 주변을 합한 전체의 엔트로피는 늘어난다.
마무리

저절로 한 방향으로만 일어나는 현상을 비가역 현상이라 한다. 분자 배치의 경우의 수로 보면 고르게 퍼진 상태가 압도적으로 많으므로, 자연은 경우의 수, 곧 엔트로피가 커지는 방향으로 나아간다. 그래서 처음 질문의 향기는 모두 병 속에 모일 확률이 사실상 0이라 돌아오지 않으며, 이것이 열역학 제2법칙이다.

탐구 1

퍼진 기체는 왜 저절로 다시 모이지 않을까?

엔트로피 · 경우의 수
지금 왼쪽 칸의 입자
—
이 상태의 경우의 수 W
—
모두 왼쪽에 있을 확률
—

입자는 서로 부딪치지 않고 무작위로 움직이며, 각 입자가 왼쪽에 있을 확률은 1/2이다. 경우의 수 W는 N개 중 왼쪽에 있을 입자를 고르는 방법의 수이고, 엔트로피는 S = k ln W이다.

  1. 질문상자 왼쪽에 기체를 모아 두고 칸막이를 치우면 기체는 상자 전체로 퍼진다. 분자들은 무작위로 움직일 뿐인데, 왜 다시 왼쪽에 모이는 일은 일어나지 않을까?
  2. 복원열역학 제1법칙은 에너지가 보존된다고 말할 뿐, 변화가 어느 방향으로 일어날지는 말하지 않는다. 그래서 퍼진 기체가 다시 모여도 에너지 보존에는 어긋나지 않는다.
  3. 설명입자 N개가 왼쪽과 오른쪽에 나뉘는 방법의 수를 세어 보면, 모두 왼쪽에 있는 경우는 딱 1가지인데 반씩 나뉜 경우는 엄청나게 많다. 그래서 입자들이 무작위로 움직이면 경우의 수가 많은 상태가 압도적으로 자주 나타나며, 이 경우의 수 W의 로그에 비례하는 양이 엔트로피 S = k ln W이다.
  4. 연결고립된 계는 엔트로피가 커지는 쪽, 곧 더 흔한 상태 쪽으로 변한다(열역학 제2법칙). 열이 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 흐르는 것도 에너지가 고르게 나뉘는 방법의 수가 더 많기 때문이며, 이렇게 저절로 거꾸로 일어나지 않는 변화를 비가역 현상이라고 한다.
  5. 적용입자 4개로 시작해 한동안 지켜보면 모두 왼쪽에 모이는 순간이 가끔 온다. 10개, 40개, 200개로 늘리면 어떻게 되는지, 오른쪽 분포가 입자 수에 따라 어떻게 뾰족해지는지 보고, 실제 기체 1 mol(6 × 10²³개)이라면 어떨지 생각해 보자.
  6. 판단제2법칙은 거꾸로 가는 일이 불가능하다기보다 확률이 터무니없이 작다는 법칙이다. 입자 100개가 모두 왼쪽에 모일 확률은 약 10³⁰분의 1이라 우주의 나이 동안 기다려도 볼 수 없다. 또 냉장고처럼 바깥에서 일을 해 주면 한쪽의 엔트로피를 줄일 수 있지만, 그만큼 주변의 엔트로피가 더 크게 늘어난다.

확인조건이 달라지면

입자 10개가 들어 있는 상자에서, 왼쪽 칸에 5개가 있는 상태와 10개가 모두 있는 상태의 경우의 수는 각각 몇 가지일까?

탐구 2

에너지는 보존되는데 왜 아껴야 할까?

에너지 흐름 · 효율
전체 효율 (빛이 된 몫)
—
빛 1 J에 드는 처음 에너지
—
열로 흩어진 몫 (/100)
—

단계별 효율은 대략값이다. 발전소와 전등의 종류, 운전 조건에 따라 달라진다.

  1. 질문에너지는 새로 생기지도 사라지지도 않는다. 그렇다면 “에너지를 아끼자”는 말은 무엇을 아끼자는 걸까?
  2. 복원에너지는 형태를 바꿀 뿐 총량은 그대로이다. 연료의 화학 에너지는 열, 운동 에너지, 전기 에너지, 빛 에너지로 차례로 바뀐다.
  3. 설명그런데 바뀔 때마다 일부는 우리가 원하지 않는 열로 흩어진다. 흩어진 열은 주변 공기를 조금 데울 뿐, 다시 모아 전기로 쓰기 어렵다. 즉 아끼는 것은 에너지 총량이 아니라 쓸모 있는 형태의 에너지이다.
  4. 연결그래서 효율 = 쓸모 있게 나온 에너지 / 들어간 에너지로 잰다. 여러 단계를 거치면 전체 효율은 각 단계 효율의 곱이 되므로, 한 단계만 효율이 낮아도 전체가 크게 줄어든다.
  5. 적용석탄 화력에 백열전구를 고르고, 전등만 LED로 바꿔 보자. 전체 효율이 몇 배가 되는지 읽고, 발전소를 바꿀 때와 어느 쪽 효과가 더 큰지 비교해 보자.
  6. 판단“효율 100%인 기계를 만들면 된다”는 생각은 불가능한 목표이다. 열을 일로 바꾸는 과정에는 넘을 수 없는 한계가 있기 때문이다. 또 효율만으로 발전 방식을 고를 수는 없다. 태양광은 효율이 낮아도 연료가 들지 않는 대신, 넓은 땅과 날씨라는 다른 제약이 있다.

확인조건이 달라지면

석탄 화력 전기로 켜던 백열전구(효율 약 5%)를 같은 밝기의 LED(효율 약 40%)로 바꾸면, 발전소에서 태우는 석탄은 어떻게 될까?

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