엔트로피란 무엇일까요?
엔트로피 증가의 법칙이란 한마디로 '무질서도 증가의 법칙' 또는 '혼합도증가의 법칙'이라고 합니다. 처음에는 질서 정연하게 되어 있던 어떤 상태가 시간이 지남에 점점 무질서하고 혼잡해진다는 것인데요, 이 법칙을 열역학 제2법칙이라고도 합니다. 엔트로피의 정의와 엔트로피가 높다는 것은 어떤 의미인지 열역학 4개의 법칙들과 함께 살펴보겠습니다.
엔트로피란?
여러 매체에서 한번쯤은 들어봤을 법한 단어인 엔트로피는 물리학, 정보 이론, 확률론 등 다양한 분야에서 사용되는 개념으로, 시스템의 무질서 정도를 나타내는 척도입니다. 다른 말로 '무질서도'라고 하기도 합니다. 엔트로피는 주어진 상태에서의 불확실성, 혼란도, 무질서의 정도를 측정하는 도구로 사용됩니다. 엔트로피는 주로 정보 이론에서 사용되는데, 정보의 양이나 정보의 예측 가능성에 대한 척도로 활용됩니다.
물리학에서 엔트로피는 주로 열역학의 개념으로 사용됩니다.
※ 열역학(熱力學, Thermodynamics)은 열(heat)과 일(work)을 다루는 물리학의 분야로 공학 분야에서 많이 응용되는 개념으로 인류문명은 불을 사용하면서 시작되었기 때문에, 열역학은 주로 열을 중심으로 한 에너지의 변환과 흐름에 관련된 원리를 설명하는 학문입니다.
- 열역학 제 0법칙 : 열적 평형
온도가 다른 물체를 접촉시키면 높은 온도를 지닌 물체의 온도는 내려가고 낮은 온도의 물체의 온도는 올라가서
결국 두 물체는 열평형 상태가 됩니다. 이와 같은 상태를 열역학 제0법칙이라고 합니다. 즉, 열적으로 평형을 이루려고 함이라고 할 수 있습니다. - 열역학 제 1법칙 : 에너지 보존법칙
열과 일은 에너지의 한 형태로 일은 열로, 열은 일로 변환이 가능합니다. 즉, 하나의 계가 가지고 있는 에너지는 형태만 바뀔 뿐 에너지의 총량은 일정하다는 것입니다.
에너지는 사라지거나 생성되지 않으며, 다만 형태가 변화할 뿐 - 열역학 제 2법칙 : 가역과 비가역의 법칙, 엔트로피 증가 법칙
고립된 계에서는 엔트로피가 증가하는 현상만 일어나며 감소하지 않습니다. 에너지의 형태 중에서, 엔트로피가 가장 높은 형태는 열의 형태이기 때문에, 모든 에너지는 궁극적으로 열로 변화합니다. 다르게 말하면, 사용해 버린 에너지(엔트로피가 높은 상태)를 같은 양의 엔트로피가 낮은 에너지로 다시 되돌리는 것은 불가능하다는 얘기입니다. 쉽게 말해, 석유 또는 석탄을 연료로 이용하여 에너지를 얻고 그 에너지를 쓰고 난 이후에 다시 석유로 되돌리는 것이 불가능하다는 뜻입니다. 에너지를 소비하는 과정에서 석탄이 아황산가스, 이산화탄소등으로 기화하기 때문입니다. 그 질량은 다른 상태로 변화되어도 열역학 제1법칙인 에너지 보존의 법칙에 따라 에너지 자체가 사라지지는 않지만, 이미 되돌릴 수 없는 상태로 전환된 것입니다. - 열역학 제 3법칙
절대 영도에서 엔트로피는 0이 됩니다. 그러나, 0K 이하의 온도는 불가능한 온도이므로
즉, 결론적으로 절대 영도에 한없이 가까워지면 엔트로피 변화량은 무한히 0에 가까워진다는 뜻입니다.
열역학적 엔트로피는 시스템의 에너지 분배와 관련하여 시스템의 무질서 정도를 나타냅니다. 열역학 제2법칙에 따르면,
폐쇄된 시스템의 엔트로피는 항상 증가하며, 순환하는 열과 에너지의 흐름은 항상 고온에서 저온으로 이루어집니다.
이러한 과정에서 시스템의 엔트로피는 증가하며, 시스템은 더 높은 무질서 상태로 발전합니다. 엔트로피가 증가하는 것은 자연 현상의 일반적인 경향성을 나타내며, 열역학적 평형 상태는 엔트로피가 최대화된 상태입니다.
정보 이론에서의 엔트로피는 확률 분포를 나타내는 메시지의 평균 정보량을 나타냅니다. 예를 들어, 동전을 던져 앞면이 나올 확률이 0.5이고, 뒷면이 나올 확률도 0.5라면, 이 동전의 엔트로피는 최대화된 상태로 각각의 결과에 대해 평균 1비트의 정보를 제공합니다. 엔트로피는 이러한 정보량의 기댓값으로 계산되며, 확률 분포의 다양성과 예측 가능성에 대한 척도로 활용됩니다. 엔트로피가 높을수록 불확실성이나 혼란도가 더 커지며, 엔트로피가 낮을수록 예측 가능성이 높아집니다.
엔트로피는 통계적 물리학, 정보 이론, 확률론에서 중요한 개념으로 사용됩니다. 엔트로피 개념은 불확실성, 무질서, 정보의 양 등을 정량화하고 분석하는 도구로 활용됩니다. 엔트로피는 시스템의 상태를 설명하고 예측 가능성을 측정함으로써 다양한 분야에서 응용되며, 엔트로피의 증가는 시스템의 진행 방향을 나타내는 중요한 지표로 사용됩니다.
앞서 언급되었듯, 엔트로피는 쉽게 표현하면 무질서도로, 어떤 계의 '무질서한 정도', 혹은 '규칙적이지 않은 정도'를 측정하는 물리학적 양으로 정의할 수 있습니다. 예를 들어 같은 물질일 경우 온도가 올라갈수록 분자운동이 활발해져 내부 구조가 무질서해지므로 이를 엔트로피가 높아진다.라고 하는 것입니다.
네이버 사전적 의미는 하기와 같았습니다.
'자연 물질이 변형되어, 다시 원래의 상태로 환원될 수 없게 되는 현상을 말한다.
에너지의 사용으로 결국 사용가능한 에너지가 손실되는 결과를 가져온다.'
산업화를 통한 기계화는 지구에 한정된 화석자원을 급속하게 고갈시키며, 막대한 에너지를 소비하는 사회로 진화시켜 왔습니다. 유한한 자원들은 계속해서 빠른 속도로 고갈되어 가고 있으며, 그로 인한 결과로 전 세계적인 환경에도 큰 영향을 미치게 되었습니다. 많은 과학자들은 우리가 이미 회복할 수 있는 range를 넘어섰다고도 얘기하고 있습니다. 이처럼 엔트로피가 증가하게 되면 석유, 석탄 등 전통적인 자원이 고갈될 수 있으며, 이를 대체하는 에너지를 생산하는 일 또한 추가적인 생산 에너지를 필요로 하기 때문에 엔트로피의 증가가 한층 심화될 수 있습니다.