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[물리학] 열역학 제2법칙과 엔트로피(Entropy) 평가A+최고예요

⊙ 열역학 제2법칙과 엔트로피(Entropy)1. 엔트로피(Entropy)의 정의우리는 가끔 엔트로피(Entropy)란 말을 듣는다. 이 엔트로피란 말을 백과사전이나 물리학책에서 찾아보면 정말 엄청난 양이다. 엔트로피란 말은 물리학·통계역학 분야에서 사용되는 용어로서 공학에서는 물리학, 그 중에서도 특히 열역학에서 주로 다루는 개념으로 자연 현상에서 관찰되는 어떠한 성질을 일컫는 말이다. 열현상 등 열역학적 현상의 비가역성(非可逆性)을 수량적으로 나타내기 위해 도입된 상태량의 하나로, 분자의 열운동 등 입자의 미시적(微視的; microscopic)인 운동 상태의 무질서한 정도(disorder)를 나타내는 양이다. 다시 말해 엔트로피란 말은 열역학에서 물질의 상태를 나타내는 물리량의 하나로서 물질을 구성하는 입자의 배열이나 질서의 정도를 나타내는 것으로 열의 이동에 따라 이동하며, 그 수치는 이동한 열량을 절대온도로 나누어서 나타낸다. 불안정한 물질 또는 계(系)가 평형적이고 안정된 상태로 되려고 할 때(열이 고온에서 저온으로 이동하는 과정에서) 엔트로피는 증대된다. 온도나 압력처럼 엔트로피도 양적으로 나타낼 수 있어서 「엔트로피가 크다, 또는 작다」라는 표현을 쓰기도 한다. 엔트로피 란 말을 간단히 말하자면 「무질서도(度)」라 할 수 있다. 즉, 얼마나 질서가 없는가?, 또는 얼마나 예측 불가능한가? 를 나타내는 말이다. 이 개념을 쉽게 이해하기 위해 다음과 같은 예를 들어본다. 한 교실에 학생이 50명이 있는데, 모두 정해진 자리가 있다면 엔트로피는 0이다. 다시 말해서 무질서도가 제로라는 것이다.이런 엔트로피라는 명칭은 1865년 독일의 물리학자 R.J.E. 클라우지우스[Rudolf Clausius; 1822∼1888]가 처음으로 사용한 것이며, 변화라는 뜻의 그리스어 [ ]에서 유래한 것이다. 그는 독일의 물리학자로서 프로이센 쾨슬린(지금의 폴란드 코샬린)에서 태어나, 1840년 베를린대학에 들어가 수학·물리학을 전공하였고, 1855년 스위스 취히리 공과것이다. 열역학에서는 절대온도 T의 물체가 천천히 가열되어 열량 Q를 받게 되면 엔트로피는 Q/T만큼 증가하고, 반대로 천천히 방열되어서 열량 Q`을 잃었을 때 엔트로피는 Q`/T만큼 감소된다고 정의한다. 또, 열평형상태 A로부터 다른 열평형상태 B로 바뀐 경우 물체의 엔트로피의 변화는, A로부터 B로 극히 천천히 변화시켜 가는 과정에서, 각 시각마다 출입하는 열량을 그 시각마다의 온도로 나눈 것의 대수합으로서 계산한다. 이 경우에 A로부터 B로의 상태변화는 천천히 진행시켜야 하는데, 이같이 등온변화로 진행시키지 않으면 물체의 온도가 부분적으로 달라지게 되어 물체의 온도를 정할 수 없게 되기 때문이다.결론적으로, 엔트로피 법칙을 간단 명료하게 한 문장으로 나타내면 우주의 전체 에너지량은 일정하고 전체 엔트로피는 항상 증가하려고 한다 는 것이다.2. 열역학 제2법칙의 개념열역학 법칙이란 앞에서 말한 대로 클라우지우스가 발표한 열이론의 제1법칙·제2법칙에서 기인한다고 할 수 있다. 열역학 법칙이란 물리학에서 쓰이는 용어로서 열과 관계된 여러 가지 현상을 취급하는 보편적인 이론체계를 말하는 것이다. 열역학은 열평형 상태와 경험적 온도에 관한 열역학 제0법칙, 에너지보존법칙인 열역학 제1법칙, 열현상의 비가역성에 대한 열역학 제2법칙, 그리고 절대영도에서의 상태에 관한 열역학 제3법칙을 기본법칙으로 하는데, 이들 4가지 법칙을 통틀어서 열역학 법칙이라고 한다.여기서 열역학 제2법칙은 열현상의 비가역성에 대한 법칙인데, 역학에서 취급하는 운동은 모두 가역적이다. 가역이란 어떤 운동이 가능하면 그것을 반대방향으로 진행시키는 운동도 가능한 것을 뜻한다. 그러나, 아주 많은 입자로 구성된 거시적 물체에서는 변화가 일정한 방향으로만 진행되고 그 역변화는 생기지 않는 경우가 많다. 운동은 마찰에 의해 감쇠되어 열이 발생하지만 그 역변화는 일어나지 않는다. 또한 잉크를 물 속에 떨어뜨리면 확산되지만 자연히 모이는 일은 없다. 이 같은 변화를 비가역 변화라고 한다. 열역학 제2법칙, 열의 일부를 저온열원에 버려야 한다. 열역학 제2법칙은 당연한 것을 설명하는 것처럼 생각되지만, 열역학 제1법칙과 짜 맞추면 열역학체계가 그 위에 전개된다. 그 첫 단계가 절대온도 및 엔트로피의 도입이다. 엔트로피는 내부에너지와 마찬가지로 상태량, 즉 물체의 정해진 열평형 상태에서 정해진 값을 취하는 양이다. 이 엔트로피라는 양을 사용하면 열역학 제2법칙은, 외계로부터 고립된 물체의 계(系)에서 생기는 변화에서는 계 전체의 엔트로피는 반드시 증가한다는 엔트로피증가의 원리로 나타내진다. 열평형 상태에 있는 물체에 외부의 열원에서 미소한 열량 Q를 주었을 때, 그 물체의 엔트로피 S는 S= Q/T만큼 변화한다. 여기서 T는 문제가 되는 상태의 절대온도이다. 온도 T1, T2(T2이므로 이 값은 반드시 양(陽)이다. 즉, 열이 고온에서 저온으로 이동할 때 엔트로피는 반드시 증가한다. 열역학 제2법칙은 1820년 무렵의 N.L.S. 카르노의 열기관에 관한 선구적 연구를 기초로 독일의 물리학자 클라우지우스와 영국의 물리학자 켈빈[William Thomson, 1st BaronKelvin of Largs; 1824∼1907]에 의해 기본법칙으로 인식되었다.3. 열역학 제2법칙과 엔트로피(Entropy)미시적 현상은 항상 가역적으로 변화가 일어나지만 거시적으로는 비가역적인 변화들이 존재한다. 열평형 상태에 있던 두 물체가 저절로 서로 다른 온도가 된다든지 물에 풀려서 퍼져 있던 잉크가 다시 한곳으로 모인다든지 하는 일은 일어나지 않는다. 이런 현상을 설명하는 법칙이 열역학 제2법칙이다. 열역학 제2법칙은 쉽게 말해, 에너지의 흐름이나 형태의 변화에 대한 방향성을 가리키는 경험으로서 일은 모두 열로 변하지만, 열은 모두 일로 바꿀 수 없다 란 것이다. 이런 열역학 법칙을 설명할 때, 압력과 용적, 온도, 내부 에너지, 엔탈피[enthalpy; 열역학특성함수의 하나로서 H로 표현하며, 열함량(heat content) 또는 열함수(heat function)라고도 함] 외에 어낸 말이다. 클라우지우스는 이 엔트로피라는 용어를 이용하여 어째서 온도가 서로 다른 두 물체를 접촉시켰을 때 열에너지는 언제나 온도가 높은 물체에서 온도가 낮은 물체로 이동하는지를 설명하였던 것이다. 사실 우리가 이미 알고 있다시피 온도가 서로 다른 두 물체를 접촉시켰을 때 열에너지가 낮은 온도의 물체에서 높은 온도의 물체로 이동하는 현상은 결코 관찰할 수 없다.클라우지우스에 의하면 열에너지를 가지고 있는 물체는 이와 동시에 엔트로피를 가지고 있다. 물체의 열에너지란 바로 엔트로피를 동반하는 에너지인 것이다. 만일 이 물체가 dU 만큼의 에너지를 잃어버리게 되면 물체의 엔트로피도 동시에 줄어들게 되는데, 이때 잃어버린 에너지와 엔트로피의 사이에는 물체의 온도가 관여하고 있다. 클라우지우스에 의하면 엔트로피란 다음과 같은 공식에 의해 정의된다.dS=dU/T여기서, dU는 줄어든 에너지의 변화량을, 그리고 T는 물체의 온도를 뜻하며, 이때 dS가 엔트로피의 변화량이다. 이렇게 엔트로피를 정의하면 다음과 같은 논리적인 추리가 가능하다. 앞에서 이야기 했던 온도가 서로 다른 두 물체 사이에 에너지가 이동하는 경우를 살펴보기로 하자. A라는 물체는 온도가 T1이고, B라는 물체는 온도가 T2이다. A는 B보다 온도가 더 높아서 T1>T2라고 한다. 이제 두 물체를 접촉시켜서 dU만큼의 열에너지가 A로부터 B로 이동하였다고 하자. 이러한 열에너지의 이동으로 인하여 두 물체가 가지고있는 엔트로피에도 변화가 있을 터인데 여기서 관심을 두어야 할 것은 A와 B 두 물체가 가지고 있는 엔트로피의 총량에 어떻게 되었을까? 라는 것이다. 클라우지우스의 엔트로피에 대한 정의에 의하면 A물체가 dU만큼의 에너지를 잃어버렸을 때 A는 동시에 엔트로피도 감소하게되는데 이때 엔트로피의 변화량은 dS1=-dU/T1 이 된다. 엔트로피가 -(마이너스), 즉 음수가 되는 것은 A의 엔트로피가 감소하였음을 의미한다. 반면에 B는 에너지가 증가하였으므로 엔트로피도 증가하는데 이때 증가한 엔트로피의학자들이 이것이 위배되는 경우를 찾기 위하여 나름대로의 실험장치를 고안하여 노력하였으나 아직 아무도 이 법칙이 위배되는 경우를 찾을 수 없었다.나) 엔트로피에 대한 새로운 정의열에너지의 이동뿐만 아니라 기체분자의 확산과 같은 모든 비가역적인 과정들을 일반적으로 설명하기 위하여 볼츠만 엔트로피라는 물리량에 새로운 정의를 내렸다. 볼츠만에 의하면 엔트로피란 그 물리계가 그러한 거시적인 상태에 있을 수 있는 가능한 상태(경우)의 수에 자연 로그를 취한 양으로 정의하였다. 언뜻 단어적으로만 생각한다면 이것이 무슨 뜻인지 파악하기란 그리 쉬운 일이 아니다. 이는 새로운 엔트로피에 대한 개념은 기존의 개념을 뛰어넘는 전혀 새로운 것이기 때문이다. 자, 그러면 새로운 엔트로피의 개념에 대하여 자세히 알아보기로 하자. 여기에 열역학적인 관측의 대상이 되는 물리계가 있다고 하자. 예를 들어, 이 물리계는 챔버 안에 갇혀있는 기체 입자들일 수도 있다. 다음에는 이 물리계가 있을 수 있는 모든 가능한 상태들을 전부 나열을 하는 것이다. 물론 이 물리계는 아무리 작은 계라고 하더라도 그 속에는 매우 많은 숫자의 분자들이 들어있기 때문에 나열된 가능한 상태들의 개수는 천문학적으로 많아 질 것이 분명하다. 그런 다음 이러한 상태들을 우리가 관측하는 거시적인 상태에 따라서 분류를 한다.다) 생활 중에 나타나는 현상 속의 엔트로피1 자리에 앉기한 학급에 학생이 30명이 있는데 모두 정해진 자리가 있다면 엔트로피는 0이다. 다시 말해서 무질서도가 제로라는 것이다. 그러나 지정좌석이 없고 누구든지 아침에 등교할 때 빈자리 아무 곳에나 마음대로 앉도록 되어 있다면 엔트로피가 아주 큰 것이다. 즉, 30개의 좌석 각각에 누가 앉을지 전혀 예측할 수 없는 것이다.2 실내 온도의 증가히터를 틀면 실내 공기가 더워진다. 히터가 정상적으로 가동하는데 온도가 내려가는 일은 절대로 벌어지지 않는다. 기온이란 공기 분자들의 운동 에너지 평균치를 구하는 것이다. 따라서 기체 분자들이 열에너지를 받으면 받을수록다.

공학/기술| 2004.05.31| 7페이지| 1,000원| 조회(3,527)

엔트로피, 열역학, 열역학 법칙, Entropy, 열역학 제2법칙

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