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열역학 제 2 법칙
엔트로피
3학년 8반 7조
가역 과정과 비가역 과정의 정의
가역 과정과 비가역과정의 정의
가역 과정: 외부에 아무런 흔적도 남기지 않고 스스로 원래의 상태로 되돌아갈 수 있는 현상
비가역 과정: 스스로 처음 상태로 되돌아 갈 수 없고 시간에 대해서 한쪽 방향으로만 진행하는 현상
비가역과정의 예
자연계에서 일어나는 여러 가지 비가역 현상
1. 열은 고온의 물체에서 저온의 물체로 이동한다.
2. 바위가 풍화 작용으로 부셔저서 모래나 흙으로 변한다.
3. 잉크를 물에 떨어뜨리면 골고루 확산된다.
4. 연기가 공기 중으로 확산된다.
열역학 제2법칙
열역제학 제2법칙에 대한 설명
열에너지는 높은 온도의 물체에서 낮은 온도의 물체로 저절로 이동하며, 스스로 일을 할 수 없다는 성질을 가지고 있다. 이러한 열에너지의 특수성 때문에 열 현상과 관련된 자연 현상은 모두 비가역 과정이다. 한 예로 어떤 물체가 빗면을 미끄러져 내려와 수평면을 어느 정도 진행하다가 바닥과의 마찰에 의해 역학적 에너지가 열에너지로 전환되어 사방으로 흩어져 결국 물체는 멈추게 된다. 하지만 반대 현상은 일어나지 않는다. 이것은 에너지 보존 법칙(열역학 제1법칙)에 위배되지 않는다. 이러한 열역학 제 1법칙에 위배되진 않지만 스스로 일어나지 않는 자연 현상에 대해 열에너지의 이동의 방향성을 설명하기 위한 법칙이 열역학 제2법칙이다.
열역학적 제2법칙의 다양한 표현
열역학 제2법칙의 정량적 표현
크라우지우스는 절대온도 T인 열역학적 계가 열△Q를 흡수하면 그 계의 엔트로피 S는 △S=△Q/T만큼 증가한다고 엔트로피를 정의하였다. 그리고 우주의 총 엔트로피는 감소하지 않으며, 외부와 단절된 고립계에서 일어나는 열역학적 과정은 에트로피가 증가하는 방향으로 일어난다고 설명하였다.
볼츠만은 엔트로피를 확률적인 방법으로 새롭게 정의하여 자연에서 일어나는 변화의 방향은 확률이 높은 방향으로 진행된다고 설명하였다. 어떤 기체계의 분자들이 질서 있는 배열로부터 시작해서 움직여 간다면 시간이 지남에 따라 점점 무질서한 배열들의 경우의 수가 커지게 된다는 생각으로 엔트로피 S를 S=klnW로 표현 하였다. 여기서 k는 볼츠만 상수이며, W는 분자들이 배열할 수 있는 경우의 수이다.분자들이 섞여서 경우의 수가 최대인 상태, 즉 확률이 최대인 상태가 되면 더 이상의 변화는 일어나지 않는다는 것이다.볼츠만은 엔트로피의 증가가 분자 수준의 무질서도 증가에 해당한다는 것을 보여 주려고 노력하였다.
엔트로피를 이용한 열역학 제2법칙
엔트로피를 이용한 열역학 제2법칙의 표현
오늘날 엔트로피는 매우 다양한 의미로 사용되고 있다.
첫번째로 현대 세계의 에너지 문제를 엔트로피의 증가로 설명할 수 있다. 우리는 에너지를 무한정 사용할 수 없다. 석유를 태우면 에너지의 총량에는 변함이 없지만 이를 다시 석유로 바꿀 수는 없기 때문이다. 즉, 석유가 연소하여 생긴 열에너지는 다시 사용할 수 없는 쓸모없는 에너지가 된 것이다.
두번째로 엔트로피는 숨겨진 정보의 양 또는 정보의 부족으로도 해석할 수 있다. 예를 들어 여러 자루의 연필이 잘 정리되어 있는 경우, 즉 엔트로피가 아주 낮은 경우 우리는 여라자루의 연필의 위치에 대해 상당한 정보를 갖고 있다고 말할 수 있다. 그러나 여러 자루의 연필이 책상 위에 무질서하게 흩어져 있는 경우, 즉 엔트로피가 매우 높은 경우 우리는 각 연필의 위치를 정확하게 말하기 어렵다. 이처럼 엔트로피가 증가하면서 연필의 위체에 대한 정보가 숨겨지고, 연필의 위치에 대한 정보가 부족하게 된다.
세번째로 정보의 사용과 활용도 엔트로피의 증가로 해석할 수 있다. 인터넷의 발달로 수많은 정보를 우리는 쉽게 접할 수 있게 되었다. 이처럼 정보의 양적인 엔트로피는 증가하였어도 이런한 정보 가운데 유용한 것을 구분해 내기 위해서는 별도의 에너지와 노력이 필요하다.
엔트로피의 다양한 의미
열역학 제2법칙
열역학 제2법칙은 물질과 에너지는 한 방향으로만 변한다고 규정한다. 즉, 유용한 상태에서 무용한 상태로, 흭득이 가능한 상태에서 획득이 불가는한 상태로, 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로만 변한다는 것이다.
자연 현상의 비가역성과 확률
엔트로피와 확률
그림 가와 같이 두 개의 방 A,B로 구분된 용기의 방A에N개의 기체를 채우고 방B는 진공으로 한 다음 밸브를 열면, 잠시 후 그림 나와 같이 기체가 두 방에 고르게 분포하게 될 것이다.
기체 분자들의 운동은 무질서하므로 각 분자들이 한쪽 방에 존재할 확률은 각각 1/2이다. 따라서 기체 분자들이 방A에만 모여 있을 확률은 P=(1/2)N이다. P는 기체 분자 수가 많을수록 작아진다. 실제로 우리가 사는 세상에서 분자 수는 10²³개(1 mol 수준) 정도이므로 P는 0에 가깝고, 이러한 일은 결코 일어나지 않는다는 것을 의미한다.