엔트로피와 열역학 제2법칙

열역학 제1법칙은 에너지가 보존된다고 말하지만, 그것만으로는 자연의 방향을 설명하지 못합니다. 뜨거운 커피가 차가운 방을 조금 덥히는 일은 자연스럽지만, 방의 열이 저절로 커피 한 잔에 모여 커피가 다시 뜨거워지는 일은 보지 못합니다. 두 경우 모두 에너지 총량만 보면 가능해 보이지만 실제 방향은 다릅니다.

제2법칙은 이 차이를 엔트로피로 말합니다. 계, 주위, 우주를 구분해서 보면 어떤 부분의 엔트로피는 줄어들 수 있지만, 고립된 전체인 우주의 엔트로피 변화는 0보다 작아질 수 없습니다.

오늘의 한 문장#

엔트로피는 에너지 분산과 가능한 상태 수를 나타내며, 자연 과정은 전체 엔트로피가 줄지 않는 방향으로 진행됩니다.

꼭 익힐 말#

계는 관찰 대상으로 정한 부분, 주위는 계 밖, 우주는 계와 주위를 합친 전체입니다. 냉장고 내부의 엔트로피는 낮아질 수 있습니다. 그러나 압축기에 일을 공급하고 방 안으로 더 많은 열을 내보내므로, 전체 엔트로피까지 줄어드는 것은 아닙니다.

가역과 비가역의 조건#

가역 과정은 마찰, 난류, 유한한 온도차 열전달 같은 손실이 없는 이상화입니다. 과정이 아주 천천히 진행되어 매 순간 평형에 가깝고, 계와 주위를 모두 원래대로 되돌릴 수 있어야 합니다. 현실 과정은 대개 비가역이며 이때 ΔS_universe > 0입니다.

국소적인 엔트로피 감소는 가능합니다. 얼음이 어는 동안 물의 엔트로피는 감소하지만, 냉각 장치와 주변으로 방출된 열 때문에 전체 엔트로피는 증가합니다. 따라서 “엔트로피는 항상 증가한다”는 말은 부분계가 아니라 고립된 전체에 대해 조심스럽게 써야 합니다.

수식과 단위 읽기#

• ΔS_universe = ΔS_system + ΔS_surroundings ≥ 0: 엔트로피 단위는 J/K입니다. 계만 보지 말고 주위까지 더해야 자연 가능성을 판단할 수 있습니다.
• η_C = 1 - T_c / T_h: 카르노 효율입니다. T_h와 T_c는 반드시 절대온도 K입니다. 섭씨를 넣으면 온도비의 물리적 의미가 깨집니다.
• COP_R = Q_c / W, COP_HP = Q_h / W: 냉장고는 차가운 곳에서 빼낸 열 Q_c가 성과이고, 열펌프는 따뜻한 곳에 넣어 준 열 Q_h가 성과입니다.

예시와 오개념#

뜨거운 열원 600 K, 차가운 열원 300 K 사이에서 작동하는 어떤 열기관도 카르노 효율 η_C = 1 - 300/600 = 0.5를 넘을 수 없습니다. 실제 기관은 마찰, 열손실, 빠른 팽창·압축 때문에 이보다 낮습니다.

오개념은 “효율이 100%가 안 되는 이유는 기술이 부족해서”라는 생각입니다. 두 열원 사이에서 작동하는 열기관은 제2법칙 때문에 버려야 하는 열이 있습니다. 또 냉장고 COP와 열펌프 COP를 같은 값으로 보면 안 됩니다. 같은 장치라도 목적이 냉각이면 Q_c/W, 난방이면 Q_h/W를 봅니다.