물리학개론 레포트 - 엔트로피의 개념과 물리학적 의미를 설명하시오.

I. 서론

책상 위에서 따뜻한 커피를 1시간쯤 잊고 두면 방 온도와 비슷해진다. 차가워진 커피가 방의 열을 스스로 모아 다시 뜨거워지는 장면은 본 적이 없다. 에너지 보존법칙만 놓고 보면 방의 열에너지가 커피로 이동하는 과정도 총에너지를 보존할 수 있다. 그런데 실제 자연은 한 방향을 압도적으로 선택한다. 엔트로피는 그 방향성을 설명하는 핵심 물리량이다. 흔히 "무질서도"라고 외우지만 그 말만으로는 열역학적 정의와 통계역학적 의미를 충분히 담지 못한다. 엔트로피는 상태함수이고, 가역적인 열전달과 온도로 변화량을 정의할 수 있으며, 미시적으로는 같은 거시상태를 만드는 가능한 미시상태의 수와 연결된다. 자연 과정의 비가역성을 이해하려면 세 설명을 같이 잡아야 한다.

II. 본론

1) 열이 오가는 과정에서 정의되는 상태함수

고전 열역학에서 엔트로피 S는 계의 상태를 나타내는 상태함수다. 상태함수라는 말은 변화량이 실제로 어떤 복잡한 경로를 거쳤는지가 아니라 처음 상태와 끝 상태로 결정된다는 뜻이다. 가역과정에서 아주 작은 엔트로피 변화는 dS = δQrev/T로 정의된다. 여기서 δQrev는 계가 가역적으로 받은 미소 열량이고 T는 열이 오갈 때의 절대온도다. 유한한 변화에서는 가능한 가역경로를 잡아 δQrev/T를 적분하면 두 상태 사이의 엔트로피 차이를 구할 수 있다. 실제 과정이 비가역이어도 상태가 같다면 엔트로피 변화량 자체는 적절한 가역경로를 이용해 계산할 수 있다.

온도가 일정한 상태에서 가역적으로 열 Q를 흡수한다면 엔트로피 변화는 ΔS = Q/T가 된다. 같은 열량이라도 낮은 온도에서 전달될 때 엔트로피 변화가 더 크다. 얼음이 0도에서 녹는 상변화를 생각하면 온도가 거의 일정한 동안 잠열을 흡수하고 엔트로피가 증가한다. 기체가 진공 쪽으로 자유팽창하는 경우에는 열을 받지 않아도 엔트로피가 증가할 수 있다. 이 예는 엔트로피를 "열의 양"과 같은 것으로 보면 안 된다는 점을 잘 보여준다. 열은 과정에서 이동하는 에너지이고 엔트로피는 상태를 나타내는 물리량이다.

열역학 제2법칙은 고립계의 전체 엔트로피가 감소하지 않는다고 말한다. 가역과정에서는 전체 엔트로피 변화가 0이고 비가역과정에서는 양수가 된다. 커피와 방을 하나의 고립된 전체로 생각하면 뜨거운 커피에서 차가운 방으로 열이 이동할 때 커피의 엔트로피는 줄지만 방의 엔트로피 증가는 그 감소보다 커 전체는 증가한다. 따라서 어떤 부분의 엔트로피가 줄어드는 현상 자체는 제2법칙을 어기지 않는다. 냉장고 안의 공기를 차갑게 만들면 내부의 엔트로피를 낮출 수 있지만 압축기에서 일을 하고 더 많은 열을 실내로 내보내 전체 엔트로피는 증가한다.

제2법칙은 열기관의 효율에도 한계를 준다. 고온 열원에서 받은 열을 모두 일로 바꾸고 아무 열도 저온 열원으로 버리지 않는 순환기관은 만들 수 없다. 카르노 기관은 두 온도 사이에서 가능한 최대 효율을 보여주는 이상적 가역기관이다. 실제 엔진에는 마찰, 유한한 온도차를 통한 열전달, 점성 같은 비가역 과정이 있어 더 많은 엔트로피를 생성하고 효율이 낮아진다. 엔트로피는 "에너지가 사라진다"고 말하지 않는다. 에너지는 보존되지만 그 에너지 가운데 일을 만드는 데 쓸 수 있는 부분이 과정의 방향에 따라 줄어들 수 있음을 알려준다.