열과 일, 엔트로피의 과학 <열역학> 0428 발제_아라차 1.열역학이란 무엇인가? 제1법칙 2.왜 시간을 거슬러 돌아갈 수 없는가? 제2법칙과 제3법칙
존재는 엔트로피 운동의 결과일까?
열역학은 에너지에 관한 것이다. 에너지는 아주 다양한 형태로 나타난다. 에너지 개념은 어떤 점에서는 인간 경험의 거의 모든 측면을 포함한다. 빛, 소리, 전기와 자력, 중력, 일정하거나 변화하는 모든 운동, 원자핵을 함께 묶어두는 ‘접착제’, 심지어 질량 자체도 모두 에너지가 발현된 예다. 우리가 아직 이해하지 못하는 에너지 형태, ‘암흑물질’과 ‘암흑에너지’도 있다.
열역학 제1법칙은 에너지 보존 법칙이다. 에너지는 절대로 새로 만들어지거나 파괴될 수 없으며, 한 형태에서 다른 형태로 변형될 뿐이다. 에너지 보존 법칙은 보통 표준 기호 E를 사용하여 에너지 변화(ΔE=Q-W)를 나타낸다. 이때, 열(Q)과 일(W)이라는 변수를 사용한다. 열을 교환하거나 일을 수행하면 에너지 상태는 변한다. 열은 주로 시스템의 온도를 변화시키는 에너지 형태이다. 과학에서 열은 어떤 것의 에너지 변화와 관련된 한 특성이다.
우리는 열과 온도를 물질의 기본 구성 요소인 원자와 분자의 운동 관점에서 해석한다. 온도는 각 기본 성분의 평균 운동, 특히 원자와 분자의 무작위 운동의 구체적인 척도이다. 일은 에너지 변화와 그에 따른 시스템 상태의 변화를 표현하는 방법이다. 저장 및 전달될 수 있는 에너지 형태를 자유도 개념을 통해 설명할 수 있다. 예를 들어 한 방향으로 움직이는 물체는 그 방향의 운동에 해당하는 단일 자유도의 운동에너지를 갖는다.
고전 열역학은 평형상태에 있는 시스템에 관한 것이다. 관측 가능한 우주의 모든 것을 물론 끊임없이 변하고 있지만, 그 변화의 대부분은 너무 느리게 일어나서 우리는 그것을 인식하지 못한다. 쉽게 관찰되는 변화가 없는 시스템은 평형상태에 있는 것처럼 다루는 편이 용이하다. 에너지가 모든 장소에 가능한 한 고르게 분배된 균등분배 상태일 때 시스템이 평형상태가 되었다고 한다.
우주 전체를 이런 시스템으로 생각할 수 있다. 우리가 아는 한 우주 전체와 상호작용하는 다른 것은 존재하지 않으니, 에너지 보존 법칙에 따르면 우주의 총 에너지는 변할 수 없다. 고립된 시스템의 경우 에너지는 시스템 상태의 특성, 상태변수이다. 모든 고립된 시스템은 다른 시스템과 상호작용, 즉 에너지를 가져오거나 방출할 수 있을 때만 변한다.
열역학 제2법칙은 제1법칙과는 매우 다르다. 제1법칙은 변하지 않는 것, 특히 전체 에너지 또는 다른 세상과는 닫혀 있는 우주의 특정 부분의 에너지 양에 관한 것이다. 제2법칙은 일어날 수 없는 일에 관한 것으로, 일어날 수 있는 일과 없는 일을 구별함으로써 시간의 방향을 보여준다. 상태 A에서 상태 B로 갈 수는 있지만, 같은 과정으로 B에서 A로 돌아갈 수 없다. 깨진 접시를 다시 본 상태로 되돌릴 수 없고, 미지근한 물로 합쳐진 찬 물과 뜨거운 물을 다시 찬물과 뜨거운 물로 나눌 수 없다.
열역학 제2법칙에서 가장 중요한 변수는 엔트로피이다. ‘무질서도’, ‘변화도’라고 번역되는 엔트로피는 열과 온도 개념이 진화하면서 생겨났다.(자유도?) 보통 변화를 의미하는 Δ와 함께 ΔS로 엔트로피 변화를 표현한다. 엔트로피 변화는 시스템의 단위 온도당 교환되는 열의 양보다 크거나 같아야 한다.(ΔS≥ΔQ/T) 따라서 주어진 열 교환에 대해 엔트로피 변화는 일반적으로 높은 온도보다 낮은 온도에서 더 크다.
엔트로피의 정체를 알기 위해서는 일상적으로 관찰 가능한 거시적 세계와 원자와 분자의 미시적 세계를 연결해야 한다. 거시적 수준에서는 온도, 압력, 밀도, 질량, 부피 등으로 시스템의 상태를 설명한다. 이런 변수들로 정해지는 상태는 구성 원자나 분자의 위치와 속도 면에서 수많은 방식으로 나타날 수 있다. 원자나 분자들이 움직이면서 서로 간에 또는 용기의 벽과 충돌함에 따라 기체와 액체의 미시적 상태는 지속적으로 변화한다. 어떤 방법을 써서 거시적 상태를 관찰하더라도 시스템이 수많은 미시적 상태를 거칠 정도의 충분한 시간이 필요하기 때문에, 거시적 상태를 관찰하는 것은 실제로는 미시적 상태들의 시간 평균을 관찰하는 것이다.
엔트로피는 우리에게는 같아 보이지만 모든 구성 원자가 얼마나 많은 방법으로 존재할 수 있는가에 관한 척도이다. 자연의 모든 시스템은 낮은 엔트로피 상태에서 더 높은 엔트로피 상태로 이동한다. 다른 방식으로 말하면, 시스템은 낮은 확률 상태에서 높은 확률 상태로 자연스럽게 진화한다고 할 수 있다. 예를 들어 기체는 부피가 증가하면 팽창하는데, 이는 기체 분자가 작은 부피에서보다 큰 부피에서 거시적 평형상태에 있을 수 있는 방법이 더 많기 때문이다. 세계는 현재 존재하고 있는 낮은 가능성 상태에서 높은 가능성 상태, 즉 가능한 미시상태가 현재보다 더 많아서 존재 방식이 더 많은, 높은 엔트로피를 가진 새로운 상태로 이동한다.
열역학 제3법칙은 온도에 대해서는 ‘절대영도’라고 부르는 절대적인 하한점이 있으며, 실제로 유한한 단계를 거쳐서는 절대영도에 도달할 수 없다는 이야기다. 이런 조건에서 물질은 매우 다르게 행동한다. 예를 들어 어떤 물질은 모든 전기 저항을 잃고 ‘초전도체’로 변한다. 절대영도 개념은 에너지 개념과 밀접하게 연결되어 있다. 시스템이 절대영도에 도달하려면 모든 에너지를 잃어야 한다. 하지만 그렇게 되려면 에너지를 받아들일 수 있는 다른 시스템과 접촉해야 한다. 현재로서는 열린 질문이지만 실제로 모든 에너지를 제거하려면 시스템의 크기는 얼마나 작아야 하는가 하는 질문에 답할 수도 있을 것이다. 다음 시간에는 양자역학을 소환하여 열역학적 질문들과의 관계를 살펴보기로 하자.
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