열역학 제2법칙 엔트로피 쉽게 이해하기

열역학 제2법칙 엔트로피 쉽게 이해하기

"맥스웰 방정식이라면 몰라도, 당신의 이론이 열역학 제2법에 반한다면 가망성은 없다."

-아서 스탠리 에딩턴-

 

우주의 가장 중요한 법칙들을 몇 가지 이론만으로 정리해야 한다면, '엔트로피'는 분명 여기에 포함될 것입니다

엔트로피가 우리가 얻는 에너지의 근원인 동시에 우주의 시작과 종말을 짐작할 수 있게 해 주기 때문입니다

그래서 우리 같은 일반인들은 엔트로피 현상을 과학자나 몇몇 지식인들만 이해할 수 있을 것이라 체념하기 마련입니다

 

하지만, 사실 우리에게 엔트로피는 매우 상식적이고, 직관적인 현상입니다

그러므로 사실 방문자 여러분들도 엔트로피에 대해서 경험적으로 모두 알고 있을 겁니다

혹시 어릴 때 불장난을 해보셨나요? 세상엔 영원히 불타는 나무도 없었고, 한번 타버린 나무엔 불을 붙일 수는 없다는 것을 관찰하셨을 겁니다

그래서 엔트로피가 증가한다는 것은 곧 쓸모없는 에너지가 점점 많아진다는 의미가 됩니다

이렇듯, 우리에게 단순히 상식적인 현상인데, 이론적으로 정리가 안 돼있을 뿐입니다.

우리가 사용할 수 있는 에너지는 전환되는 과정에서 점점 줄어들기만 한다는 뻔한 사실, 이것이 엔트로피입니다

장작-잿더미

 

이런 엔트로피는 우리에게 자연의 에너지 흐름 방향성을 알려주는 것인데요, 자연스럽다는 것은 인위적인 타력이 없을 때, 에너지가 특정한 방향성을 갖고 이동한다는 것을 의미합니다

관찰과 경험을 근거로 봤을 때, 자연계에서 에너지는 항상 고온에서 저온으로 이동합니다.

이것은 변하지 않는 불변의 진리입니다. 그래서 이것을 이해하면 열역학 제2법칙을 이해하신 겁니다. 정말 쉽습니다

하지만 이것만으로 아쉬운 분들을 위해 본론에서 보충설명을 드리도록 하겠습니다

 

엔트로피와 '시간'의 본질

1845년 제임스 줄이 열과 역학적 에너지인 일이 서로 다른 것이 아닌 동일한 것임을 밝혀내고, 열과 역학적 에너지를 통합한 열역학 제1법칙인 '에너지 보존 법칙'이 등장합니다

2024.02.05 - [과학/거시 세계 - 고전 물리학] - 열역학 제1법칙 에너지 보존 법칙 쉽게 이해하기

열역학 제1법칙 에너지 보존 법칙 쉽게 이해하기

그리고 얼마 지나지 않아서 19세기 초반의 살았던 독일의 물리학자 루돌프 클라우지우스는 열은 "차가운 쪽에서 더운 쪽으로 흐르지 않는다"라고 선언했습니다

이것이 열역학 제2법칙의 초기 버전입니다

뜨거운 물과 차가운 물을 한 곳에 담으면, 뜨거운 물의 열은 차가운 물로 이동해 결국 미지근한 평형 상태에 도달합니다

만약 이 장면을 녹화해서 거꾸로 재생해도 아무런 문제가 없다면, 우린 이것을 '가역적'이라고 말합니다

 

그러나 이러한 과정이 거꾸로 재생되는 영상을 본다면 우리는 즉각 이상함을 느낄 것입니다

왜냐하면 똑같은 온도의 물에서 열을 추출해 뜨거운 물과 찬 물을 만들어낸다는 개념은 우리의 현실과 어긋나기 때문입니다. 따라서 열은 '비가역적' 현상입니다

클라우지우스는 이처럼 열이 한 방향으로만 흐르는 상황을 측정하고 계산할 수 있는 개념을 만들고, 여기에 '변화'를 뜻하는 고대 그리스어인 '엔트로피'라는 이름을 붙였습니다.

엔트로피는 흔히 대문자 S로 표시하고, 열 Q를 온도 T로 나눈 값으로 제시됩니다

즉 엔트로피는 수식으로 이렇게 정리됩니다

S = q / t

열과 온도 엔트로피와 같은 물리량들은 기체의 특징을 설명하는 매우 편리한 도구로 사용되어 왔습니다

눈에 보이지 않는 기체를 눈에 보이는 물질덩어리로 상상하여, 손쉽게 기체의 평균 운동 에너지를 구할 수 있기 때문입니다

기체의 평균 운동 에너지는 단순하게 온도에 비례한다는 사실을 발견했기 때문에 가능한 추론입니다

 

결론적으로 "열은 뜨거운 온도에서 낮은 온도로 흐른다"라는 열역학 제2법칙의 초기버전은 "우주 전체의 엔트로피는 항상 증가한다"라는 말로 바뀌게 됩니다

왜냐하면 열역학 제1법칙인 에너지 보존 법칙 때문에 우주의 에너지 총량은 항상 변화하지 않지만, 우주는 외부에서 추가적인 에너지와 물질을 공급받지 못하는 '고립계'이기 때문입니다

그러므로 열역학 제2법칙은 과거와 미래를 구분하는 유일한 법칙이 됐고, "우주 전체의 엔트로피가 항상 증가한다"라는 말은 '엔트로피가 우주적 시간의 흐름을 결정할 수 있다'는 뜻으로 풀이됩니다.

이것을 바로 엔트로피의 '비가역성'이라고 부릅니다

결국 우리가 시간의 흐름을 느끼는 것은 단지 엔트로피의 증가를 목격하는 것에 불과하다고 하네요.

그래서 '루트비히 볼츠만'이라는 물리학자는 시간의 흐름에 그간 철학자들이나 종교에서 주장했던 본질적인 것은 없다고 생각했다고 합니다

 

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엔트로피는 '확률'적 현상

초창기의 엔트로피 이론을 발전시켜서 "엔트로피가 결국 원자세계의서 확률적 현상"이라고 주장한 물리학자가 있습니다

바로 19세기의 등장한 '루트비히 볼츠만'인데요, 그 당시에는 대부분 과학자들이 원자론에 회의를 가지고 있었기 때문에, 이 이론이 받아들여지지 않아서 볼츠만은 결국 신경쇠약으로 자살했다고 합니다.

확률-주사위

 

하지만 20세기에 들어서 결국 '원자론'이 팩트로 밝혀졌고 양자역학이라는 새로운 학문이 등장하면서, 눈에 보이지 않는 미시세계에서 자연의 본질은 '확률'이라고 밝혀졌습니다

그래서 기체의 열이 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 흐르는 것이 무조건적인 것은 아니고, 단지 그럴 확률이 높아서라고 합니다. 그렇다면 반대로 흐를 수 있는 확률도 분명 존재할 겁니다

 

이런 현상을 엔트로피 역전이라고 하는데, 영화 '테넷'에서 '시간을 거슬러 올라가는 기술'이라는 영화 속 설정으로 잡히기도 하였습니다

이렇듯 엔트로피가 감소하려면 저온에서 고온으로 열이 이동해야 하는데요, 그럴 확률이 존재한다고 해도 우리 세상에서 아직까지 그런 현상은 발견되지 않았습니다

왜냐하면 마치 그 확률이 우리가 키보드를 마구잡이로 두들겨서 작성한 포스팅 100개가 모조리 구글 상위노출이 되고, 너무 기분이 좋아서 내친김에 로또까지 샀는데, 그 로또마저 1등이 당첨되어 버린 것과 비슷한 확률로 존재하기 때문입니다

 

비록 '절대적이다'라고는 말할 수가 없지만, 거시적 현실세계에서 무질서가 질서를 뒤집는 반전 같은 확률은 현실적으로 기대하기가 힘들어지는 것이죠

확률이 0은 아니지만 절대 일어나지 않는다고 생각하면 무방할 것 같네요

 

이 말은 즉 언젠가는 우주의 모든 에너지가 결국 평형인 상태로 가게 된다는 뜻입니다

그때가 될 때까지 엔트로피를 역전시키는 기술을 개발하지 못한다면, 결국 상태의 변화인 시간은 사라지고, 우리의 세계는 종말을 맞이하게 될 것 같습니다.

한 가지 희망이 있다면, 미시계인 양자영학에서 그동안 알고 있던 인류의 모든 상식을 거부하고 있으니, 하루빨리 인류가 미시 세계의 비밀을 해결하는 날이 오기를 기다리는 수밖에 없겠네요

 

 

 

 

 

 

 

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