엔트로피란 무엇인가?

[궁금한S] 엔트로피란 무엇인가?

[궁금한S] 엔트로피란 무엇인가? (ytn.co.kr)

• [2019-10-25 16:52:51]

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[앵커]
과학에 대한 모든 궁금증을 풀어주는 <궁금한 S> 시간입니다. 엔트로피는 열의 성질을 설명하기 위해 도입되었지만, 이제는 자연에서 일어나는 변화의 방향을 제시하는 중요한 물리량이 되었는데요.

열역학 제2 법칙에 따르면 우리가 겪는 모든 과정과 현상은 엔트로피가 증가하는 방향으로만 일어난다고 합니다.

과연 엔트로피란 무엇이고, 어떻게 탄생한 개념인지 지금 바로 화면으로 만나보시죠.

[이효종 / 과학 유튜버]
안녕하세요! 과학의 모든 궁금증을 해결하는 궁금한 S의 이효종입니다.

궁금한 S와 함께할 오늘의 이야기 만나볼게요.

물리에 관심이 많은 분이라면, 엔트로피라는 말을 들어 보신 적 있으실 거예요.

고전물리학에 따르면 자연의 모든 현상은 엔트로피가 증가하는 방향으로 일어나고 있다고 알려져 있습니다.

예를 들어 물에 잉크를 떨어트리면 잉크 분자가 물 전체에 골고루 퍼지는 걸 볼 수 있죠? 이런 현상을 확산이라고 합니다.

즉, 잉크 방울이 모여있는 상태를 질서 있는 상태라고 하면, 잉크 방울들이 흩어져 있는 상태는 무질서한 상태라고 할 수 있습니다.

이처럼 자연은 무질서한 상태로 나아가려는 경향을 보입니다.

이를 엔트로피 증가의 법칙이라고 합니다.

오늘은 이 '엔트로피'가 무엇이고 어떻게 탄생 되었는지 궁금한 S와 함께 알아보도록 하겠습니다.

독일 출신의 물리학자 루돌프 클라우지우스는 카르노가 주장했던 칼로릭 이론에서의 칼로릭의 움직임과 줄이 주장했던 에너지 보존 법칙 사이에서 결정적인 모순이 발생한다는 사실을 알아차렸습니다.

카르노는 높은 온도에서 낮은 온도로 이동해가면서 일을 만들어내는 칼로릭은 일을 만들어준 다음에도 소모되지 않고 그대로 낮은 온도로 방출된다고 이야기했습니다.

즉, 칼로릭은 보존된다고 이야기했던 것이죠.

반면 줄은 일을 만들어내는 본질 자체가 '열'이라고 여겼으며, 그렇기 때문에 열과 일의 총량은 언제나 보존된다고 주장했습니다.

여기에서 커다란 문제가 발생합니다. 카르노의 생각을 들여다보겠습니다.

높은 온도에서 만들어진 따뜻한 칼로릭, 즉 열은 기관 안으로 들어갑니다.

기관은 칼로릭을 받아들이며 일을 만들어냅니다.

칼로릭은 기관이 일을 할 수 있도록 임무를 완료한 뒤, 기관 바깥으로 방출되게 됩니다.

바로 이 시점에서 카르노는 칼로릭의 양이 처음 양과 같다고 이야기했습니다.

그러나 줄에 따르면 이러한 일은 일어날 수 없습니다, 왜일까요?

에너지보존법칙에 의해 기관에서 일로 전환된 열만큼 방출되는 열의 양은 줄어들어 있어야 하기 때문이죠.

이러한 문제를 해결하기 위해 '열은 높은 곳에서 낮은 곳으로 흘러간다'라는 카르노의 아이디어는 그대로 유지하면서 칼로릭이 보존된다는 아이디어는 과감하게 버려버립니다.

이 생각을 버리면 칼로릭으로 기관을 설명했던 카르노의 설명방식과 줄의 에너지보존법칙을 모순 없이 통합시킬 수 있습니다.

이러한 생각을 담아 클라우지우스는 1850년에 자신의 이론을 담은 논문을 발표하게 됩니다.

열은 높은 온도에서 낮은 온도로 이동하며 그러한 과정에서 발생하는 일은 모두 열로부터 바뀐 것이다, 낮은 곳으로 방출되는 열은 처음 열에서 일로 변환한 만큼을 뺀 나머지들이다, 라는 논문이 바로 그것이죠.

하지만 클라우지우스는 여전히 알 수 없었습니다.

왜 열은 대체 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동하는가? 에 대해서 명확히 설명할 수 없었던 것이죠.

그러던 와중 그와 같은 문제를 궁금하게 여겼던 한 과학자에 의해 자연에서 일어나고 있는 열의 움직임을 합리적으로 설명할 수 있는 실마리가 제공되게 되는데요.

이 과학자가 바로 윌리엄 톰슨입니다.

그 역시 카르노와 줄의 업적 사이에 모순점이 있다는 사실에 대해 고민하고 있었는데, 마침 클라우지우스가 이러한 고민에 관한 논문을 발표했다는 소식을 듣게 됩니다.

이 논문을 면밀히 들여다본 톰슨은 클라우지우스가 설명하지 못한 부분에 대해 해결하기로 마음먹습니다.

왜 열이 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동하는지에 대한 본질을 규명하기로 마음먹은 것입니다.

이해를 돕기 위해 높은 곳에서 100만큼의 열이 투입되었을 때 40만큼이 일로 변환되는 기관을 상상해봅시다.

이 기관이 이상적으로 동작해 높은 곳의 열이 정확하게 40만큼 일로 변환되었다고 했을 때 남은 60만큼은 낮은 곳으로 이동하는 모습을 떠올릴 수 있습니다.

여기에서 톰슨은 기막힌 역발상을 통해 극단적인 수를 둡니다.

100이라는 열이 전부 100이라는 일로 바뀔 수 있는 기관이 존재할까? 톰슨은 이러한 가정이 일어날 수 없다는 사실을 금세 알아차렸습니다.

이러한 일이 일어난다는 것은 곧 아무런 외부 간섭이 없는 공간 속에 채워 넣은 공기가 갑자기 아무 이유 없이 한쪽으로 이동해서 방 안의 물건을 밀어내거나 또는 갑자기 아무런 진동도 없는 수면이 갑자기 한 부위만 솟아오르거나 하는 일이 일어난다는 것입니다.

톰슨은 이러한 사고를 토대로 자연에서는 절대 스스로 차가운 곳에서 따뜻한 곳에서의 이동이 불가능하다는 것을 추론하게 되었고, 이를 통해 열은 자연적으로 손실이 되는 방향으로 이동하게 된다는 사실을 발견하게 됩니다.

동시에 그 손실된 양은 일로 나타나면서 물체를 밀어내 바람을 만들고 또는 엔진을 가동하게 됩니다.

이것이 바로 열역학 제2 법칙, 열의 이동을 나타낸 법칙입니다.

클라우지우스는 톰슨의 이러한 아이디어를 수학적으로 정리하는 데 성공하게 됩니다.

1865년 그는 열이 할 수 있는 무언가를 온도로 나눈 수학적인 값을 통해 자연에서 일어나는 변화를 설명할 수 있는 아이디어를 고안하게 됩니다.

뉴턴이 질량을 정의했던 것과 마찬가지로 클라우지우스는 이 새로운 개념을 '엔트로피'라고 이름 짓게 됩니다.

열역학 제2 법칙 톰슨과 클라우지우스로부터 탄생한 이 법칙은 엔트로피가 어떻게 변화하는지 설명하는 법칙으로, 우리의 자연은 에너지가 유입되지 않는 이상 반드시 엔트로피가 증가하는 방향으로 진행된다는 사실을 알게 되었습니다.

오늘은 열역학 제2 법칙, 엔트로피에 대해 알아봤는데요, 재미있으셨나요?

사실 엔트로피의 법칙은 모든 공간에서 성립하는 절대적인 법칙은 아닙니다.

대표적으로 블랙홀과 같은 천체, 그리고 양자역학의 세계에서는 엔트로피의 법칙이 성립하지 않는 경우도 존재하고 있습니다.

상식을 벗어난 세계에서 작동하는 물리 법칙! 그러한 세상의 이야기도 궁금하지 않나요?

그럼 궁금한 S는 여기서 이만 인사드릴게요.

과학에 대한 궁금증이 있다면 언제든 유튜브에 YTN사이언스 투데이를 검색해주세요. 이상 궁금한 S였습니다.

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