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엔트로피

“엔트로피는 물질의 열적 상태를 나타내는 물리량의 하나다. 자연현상의 변화는 물질계의 엔트로피가 증가하는 방향으로 일어나는데 이를 엔트로피 증가의 법칙 또는 열역학 제2법칙이라고 한다. 따라서 엔트로피가 감소하는 현상은 비자발적인 현상이다.”(두산백과사전 ‘엔트로피’항목 중)

그리스어로 변환이란 뜻을 가진 ‘에트로페’에서 비롯된 엔트로피를 한 마디로 표현하면 “물질은 끊임없이 변화한다”는 단순한 자연원리다.

질서정연하면서 깔끔하게 청소가 돼 있는 방을 생각해보자. 청소를 하지 않는다면 하루하루 지날수록 방은 점점 어수선해지고 지저분해진다. 청소를 하지 않고 두 달 정도 지난다면 과연 사람이 살고 있는 방인가 할 정도로 흐트러져 있게 된다. 확률상으로도 매일 깔끔하게 청소가 돼 있는 것보다는 청소가 안 돼 흐트러져 있는 것이 더 자연스럽다. 이것이 바로 엔트로피 증가의 법칙이다.

엔트로피 증가의 법칙은 분자운동이 확률이 작은 질서 있는 상태(깔끔하게 청소돼 있는 방)에서 확률이 큰 무질서한 상태(청소가 안 돼 어질러져 있는 방)로 이동해 가는 자연현상이다. 온도차가 있는 두 개의 물체를 접촉시켰을 때 열은 뜨거운 곳에서 낮은 곳으로 이동한다. 당연하다. 엔트로피 법칙에 따르면 열이 차가운 곳에서 뜨거운 곳으로 이동하는 역반응은 일어날 수 없다.

그렇다면 에어컨은 어떻게 된거지? 에어컨의 냉각기에서 열을 빼앗아 시원한 바람을 내뿜는 과정에서 부분적으로 엔트로피가 감소한다. 그렇지만 에어컨의 냉각기를 작동시키는 모터 내에서 전류가 열로 바뀌기 때문에 전체적인 시스템 차원에서 엔트로피는 도리어 증가했다고 봐야 한다.

엔트로피의 법칙을 탄생시킨 열역학은 열과 일의 관계를 바탕으로 자연계 안에서 나타나는 에너지 흐름을 다루는 학문이다. 열에너지를 기계적 에너지로 전환시키는 과정을 이용해 경제성과 효율성을 연구하는 것이다. 그렇기 때문에 기계공학이나 화학공학 등 공학계열에서 열역학은 필수적으로 배우고 넘어가야 하는 과목이다.