열역학 제 2법칙, 엔트로피. 자연의 섭리.

 

봄이 오면 어김없이 , 죽어있는 줄로만 알았던 겨울철 나뭇가지에서 꽃들이 피어난다.

매년 되풀이된다. 그럴때마다 참, 생명이란게 신기하다.

 

완연한 봄이다. 출퇴근길, 오며가며 볼 수 있는 , 봄을 알리는 봄꽃들의 존재를 보며

생명의 신비에 대해 생각하게 되다가 .

 

자연계 최고의 법칙인, 우리 세상이 흘러가게끔 하는 방향성을 나타내는 열역학 제 2법칙.

엔트로피의 법칙에 대해 고찰해보았다..

 

 

 

 

열역학 제 1법칙이 에너지의 양(量)에 대한 에너지보존의 법칙이라면,

 제 2법칙은 에너지의 흐름, 방향에 대해 이야기한다. 

<열역학 제2법칙>

 

(사진출처: https://www.grc.nasa.gov)

고립계에서, 총 엔트로피는 언제나 증가하거나 일정한다. 엔트로피는 절대 감소하지 않는다.

 

- 열은 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동한다. 

  열이 스스로 차가운 곳에서 따뜻한 곳으로 이동하는 경우는 일어나지 않는다. 

- 열은 100% 일로 전환될 수는 없다. -> 영구기관은 존재할 수 없다.

    

 

 

 

여기서 영구기관은 영구적으로, 스스로(외부에서 열/일을 받지 않고도) 움직일 수 있는 기관을 뜻한다.

열기관들이 사용하는 열에너지만큼 일에너지로 다 변환시킨다면 에너지 손실이 없는, 100% 효율적인 기관이다. 

그런데, 이 열의 일부는 열기관이 작동하는 도중 주변의 더 낮은 외부 물체들이나 공기로 빠져나가버리고

이는 절대 막을 수가 없으므로 .

 

그림으로 그려봤다.

 

 

열기관의 효율이 100%가 되기 위해선 열기관에서 주위로 방출되어 손실되는 열량이 없어야 한다..

그러나 현재까지 효율 100% 기계를 만드는 것은 불가능하다.

 

<엔트로피가 뭘까>

 

열역학 제 2법칙에는 엔트로피라는 말이 등장한다. 뭘까?

 

엔트로피를 흔히 무질서도라고 한다.

정육면체의, 각 면마다 다른 색으로 되어있는 큐브라는 장난감을 한번쯤 해봤을 것이다.

처음 이 큐브를 샀을 땐 색이 면마다 다 맞아 있는데 이를 흐트러뜨린 후 다시 처음 상태로 맞추려면

이 큐브의 규칙을 모르는 이상, 힘들 것이다. 

또한 몇시간에 걸려 집을 청소하고 정리정돈했다고 하자.

집이 보기 좋게 정돈되는데는 시간과 노력이 필요하지만, 이를 다시 어지럽히는데는 

사실 몇 초 걸리지 않는다. 한번 손으로 수납장, 화장대 등을 여러번 흔들거나, 쥬스를 흩뿌리거나,

방을 어지럽히는 건 쉽다. 말썽쟁이 강아지 한마리를 5분만 풀어놓더라도 깨끗했던 방은 어지럽혀질 것이다.

 

위의 2가지 예를 보면 무질서도라는 말이 이해가 갈 것이다.

그런데 이 무질서라는 말 자체는 추상적일 수 있기 때문에 애매할 수 있다.

 

그렇다면 어떤 물질이, 또는 계가 무질서한 상태인지 아닌지 어떤 걸 기준으로 판단할 수 있을까?

 

-> 일어날 수 있는 확률이 높은 것을 취하고 있는 상태가 무질서한 상태이다.

- 큐브의 색이 맞았을 때의 경우는 1이나, 맞지 않을 경우는 엄청나게 많다. 

- 방을 정리할 수 있는 방법보다 어지럽힐 수 있는 방법이 훨씬 많다.

또 한가지 예를 들면 물 컵 속에 쥬스 한방울을 떨어뜨리면 점차 쥬스가 물 속으로 퍼져나가 쥬스방울은 물 속에 골고루 섞여 구분하기 어렵게 된다. 이는, 엔트로피의 무질서도의 개념에서 보면, 쥬스를 구성하고 있는 분자들이 자기들끼리만 뭉쳐있을 경우보다 물 전체에 돌아다닐 경우의 수가 훨씬 많기 때문이다.

또, 열은 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동한다고 했다. 

뜨거운 물이 담겨있는 컵은, 시간이 지나면서 점점 식다가, 결국엔 외부온도와 온도가 같아진다.

 

그러나 여기서 시간이 아무리 지나더라도, 식어버린 물이, 다시 뜨거워지는 일은 없을 것이고-

공기 속의 열이 뜨거운 물로 가서 물이 더 뜨거워지고 공기는 열을 빼앗겨 더 차가워지는 일도 없을 것이다.

열은 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 흐르며 열평형을 이루니까. 

 

그렇다면, 확률이 높은 것으로 변해가는 것과, 열이 뜨거운 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 것은 ?

언뜻 보면 그리 상관 없는 걸로 느껴진다. 그런데 평형을 맞추려는 점에서 같은 것 같다.

 

무질서한 상태인 확률이 높은 것을 취한 상태도 달리 말하면 섞인다, 상태가 평균화/균질화된다고도 할 수 있다.

물질이 뜨겁다는 것은 그 물질을 이루고 있는 분자, 원자들이 빠르게 운동하고 있다는 것이고 차갑다는 것은 반대로 느리게 움직이고 있다는 것. 그런데 시간이 지남으로서 열이 흘러 서로의 온도가 같아지는 것은 빠르게 움직이는 분자는 좀 더 느리게, 느리게 움직이던 분자들은 좀 더 빠르게 해서 평형이 맞춰진다는 것이다.  

 

이런 현상들을 과학적인 용어를 사용해 표현한 것이 바로 '엔트로피'이다.

 

엔트로피를 무질서도, 더 큰 확률을 따른 상태도라 생각하며 어떤 현상에 대해 짐작할 수 있었다면

에너지와 관련해 생각해보면, '손실된 에너지(더이상 일을 할 수 없게 된)의 총량'이라 할 수 있다.

사용할 수 있는 자원. 물질들의 양은 일정한데 . 이 물질의 에너지들은 비가역적(일정한 방향) 방향으로 흐르기에 만약 물질의 이용가능한 에너지를 다 써버리면 이전의 상태로 다시 환원시킬 수가 없다.

이 때, 이, 물질 속에 있다가 다시 다른 곳으로 가버린 다시 있던 곳으로 되돌릴 수 없는 에너지의 총량이

엔트로피이다.

 

예로, 세계 3대 연료인, 석탄을 생각해보자. 

우리는 발열량이 뛰어난 석탄을 연소시키며, 내재된 화석에너지를 이용한다.

그러나 일정량의 석탄을 이용해 얻을 수 있는 에너지엔 한계가 있고 이미 사용이 끝난 석탄을 다시 재활용할 수 없기에 계속 땅에 묻힌 새로운 석탄을 찾아 다닌다.. 

게다가 석탄, 석유 같은 연료를 이용해 취득한 에너지를 이용해 전기를 만들면 또 이 과정에서 열이 주위로 날아가 원래 100이었던 석탄에너지는 80의 전기에너지로. 또 전기를 이용해 기계를 사용하면 이 과정에서도 역시 소량의 열은 방출되어 60~70정도밖에 못쓴다.

이렇게 열로 빠져나가버리기 때문에 실제 사용가능한 에너지는 적을 수 밖에 없다. 

 물질을 재활용 하려면 이와 비슷하거나 더 큰 다른 에너지를 소모해야 한다. 재활용을 하는 과정에서 물질을 복구하려는 과정에서 에너지를 소모하며 결국 전체적으로는 엔트로피가 상승. 에너지는 어떻게든 결국 소모되고 상실되고 지구에 에너지를 공급하는 태양도 언젠가는 수명을 다해 사라질 것이다.

손실된 에너지의 양이 엔트로피이면, 엔트로피가 증가한다는 것은

곧 우리가 사용할 수 있는 에너지가 감소한다는 말과도 같을 것이다.

<열역학 제2법칙의 예외?>

 

열역학 제 2법칙의 성립 전제를 보면 '고립계'*에 한한다. 

*고립계: isolated system. 물질이나 에너지 출입이 전혀없는 말 그대로 고립된 계.

 

즉, 고립되지 않은 계에선 물질/에너지 출입이 가능하다. 이는 당연히 엔트로피를 감소시킬 수 있다.

그러나 딱 '부분적으로'봤을 때만 해당되는 말이다. 외부에서 그 계에 에너지를 공급하면 , 일을 해주면 그 계의 엔트로피는 감소된다. 그런데 그 에너지를 공급한 외부에서 에너지를 공급하기 위한 과정에 에너지 손실이 따르고 이는 전체적으로 봤을 때 엔트로피의 증가이다.

 

 

그러나. '생명'은 엔트로피의, 열역학 제 2법칙을 거스른다.

주위 온도에 따라 우리가 뜨거워지거나 차가워지나. 그렇지 않다. 늘 36.5도 상시 체온을 유지하고 있다.

그러며 생명은, 우리가 만든 기계처럼 어떻게 작동해야 한다고 따로 설계도가 있는 것도 아닌데.

제 몸의 질서를 유지한다. (여기선 창조론이냐 진화론이냐 이런건 따지지 않겠다.)

 

그러나 생명을 유지하기 위해선 주변 생명체였던 것을 먹어야 한다. 그리고 에너지를 얻는다.

사실 사람이 아닌 동물들은 딱 자신이 필요로 하는 양만 먹는다. 그리고 다른 자연환경은 파괴하지 않는다.

그리고 결국엔 죽음으로써, 흙의 영양분이 됨으로써 다시 에너지원이 되어 자연으로 돌아가나

사람은 생명 유지비용 이외의 , 살아가면서 방대한 양의 에너지를 쓰다가 죽는다..

 

 우주 안에서 일어나는 모든 현상들은, 스스로 일어나는 자발적인 과정이다. 자연의 섭리라고도 한다.

그런데 인간은 자연의 섭리를 거슬러 자신들만의 질서를 만든다.

펌프를 만들어 물을 아래에서 위로 퍼올리며 고층빌딩에서도 수도꼭지만 틀어 물을 마실 수 있게 하며 에어컨을 만들어 한여름 무더위에도 실내를 쾌적하고 시원하게 만든다. 그러나 이렇게 하는 데에는 그만한 에너지 소모가 필요하며 그만한 에너지를 쓰기 위해 손실되는 에너지까지 계산하면 상상도 못할 에너지가 필요하다.

 

이렇게 인간이 자신의 삶을 편리하게 하기 위해 거스르는 자연의 섭리들은

엔트로피 감소와는 비교도 못할 속도로 엄청나게 빠르게 증가하는 엔트로피의 증가를 초래한다.

이를 막지 않으면 지구는 빠른 시간안에 종말을 맞을 것이다.. 그것이 언제가 될지는 모르겠지만.