환경용어사전 엔트로피
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19세기 중반 클라우디우스에 의해 도입된 열 역학 개념. 거시적 입장에서 보면, 엔트로피란 '열과 물질에 대한 확산의 정도를 표하는 상태량'이라고 설명할 수 있다. 빨갛게 달아오른 철 막대를 공기 중에 방치하면 시간이 감에 따라 자연히 식어간다. 열(이동량)은 온도(상태량)가 높은 철 막대에서 온도가 낮은 공기에로 자연히 이동해간다. 이를 '열 확산'이라고 한다. 유리컵 안의 물에 한 방울의 잉크를 떨어뜨리면 시간의 경과와 함께 잉크는 자연히 컵 안의 물 전체에 퍼진다. 이것을 '물질 확산'이라고 한다.
거시적으로 상태가 정해졌다 하여도 미세한 관찰에 의하면 분자는 여전히 활동을 멈추지 않고 있으며 다시 많은 수의 상태(W)가 있다. 볼트만은 통계 역학의 입장에서 엔트로피(S)를 S=klogW 라고 정의하였다. 여기서 k는 볼트만 정수이다. 정의는 각각이지만, 열역학과 통계역학에 의한 엔트로피는 일치한다. 미시적 입장에서는 엔트로피란 '분자가 취할 수 있는 상태의 랜덤니스(randomness)'라고 설명할 수 있다.
엔트로피는 열이나 물질의 이동이나 확산에 따라 변화한다. 고온의 물체로부터 저온의 물체로 열이 확산될 때 열 엔트로피도 변화한다. 온도 T1의 물체 1에서 온도 T2의 물체 2에 열량 Q가 이동할 경우, 물체 1의 엔트로피는 Q/T2만 증대한다. 열 엔트로피는 온도가 높을수록 낮다. 이 때, T1이 T2 보다 고온이므로 엔트로피 이동량은 반드시 제로보다는 크게 된다. 말하자면 물체 1에서 물체 2에로 열이 확산함에 따라서 열 엔트로피는 반드시 증대된다.
각종 에너지의 유용성을 열 엔트로피에 의해 분류할 수 있다. 열 엔트로피가 없는 에너지로는 높은 곳에서 물체가 낙하할 때의 역학적에너지, 전기 및 자력에너지가 있다. 열 엔트로피가 비교적 낮은 에너지로는 가솔린이나 알코올 등의 화학에너지 및 고온 열원이 있다. 열 엔트로피가 큰 에너지는 폐열, 즉 저온 열원이다.
물체 엔트로피는 물질의 분자가 점유한 공간 체적이 클수록 크다. 동일 물질에서는 일반적으로 온도가 높아짐에 따라 고체, 액체, 기체의 순으로 공간 체적이 크게 되므로 물체 엔트로피도 이 순서대로 크게 된다. 두 종류 이상의 물질이 분자 레벨에서 혼합할 때 물체 엔트로피는 증대한다. 이것은 '혼합 엔트로피'라고 한다.
열 엔트로피와 물체 엔트로피는 서로 전화가 가능하다. 이를테면 기체를 압축하면 체적은 적어져 기체의 물체 엔트로피는 감소한다. 그 대신 기체는 압축에 의해 발열하여 열 엔트로피를 계외(系外)로 방출하게 된다.
열 역학 제2법칙은 "열도 물질도 출입하지 않는 독립계에서 엔트로피는 증대한
다"는 유명한 엔트로피 증대 법칙이다. 에너지를 동력으로 사용할 때, 동력은 최종적으로는 폐열이나 마찰열로 변한다. 거기서 확산된 열을 모아 다시 동력으로 바꿀 수 있다면 영구 운동이 가능하게 된다. 제2법칙은 이러한 영구 기관의 존재를 부정하고 있다. "열은 온도가 낮은 곳으로부터 높은 곳으로 마음대로 이동하지 않는다" "일단 확산된 컵 안의 잉크는 마음대로 원래의 집중된 상태로는 돌아가 지 않는다"는 사실도 제2법칙으로부터 끌어낼 수 있다. 지구환경이나 자원의 유한성은 이 제2법칙의 제약에 의해 규정되고 있는 것이다.
거시적으로 상태가 정해졌다 하여도 미세한 관찰에 의하면 분자는 여전히 활동을 멈추지 않고 있으며 다시 많은 수의 상태(W)가 있다. 볼트만은 통계 역학의 입장에서 엔트로피(S)를 S=klogW 라고 정의하였다. 여기서 k는 볼트만 정수이다. 정의는 각각이지만, 열역학과 통계역학에 의한 엔트로피는 일치한다. 미시적 입장에서는 엔트로피란 '분자가 취할 수 있는 상태의 랜덤니스(randomness)'라고 설명할 수 있다.
엔트로피는 열이나 물질의 이동이나 확산에 따라 변화한다. 고온의 물체로부터 저온의 물체로 열이 확산될 때 열 엔트로피도 변화한다. 온도 T1의 물체 1에서 온도 T2의 물체 2에 열량 Q가 이동할 경우, 물체 1의 엔트로피는 Q/T2만 증대한다. 열 엔트로피는 온도가 높을수록 낮다. 이 때, T1이 T2 보다 고온이므로 엔트로피 이동량은 반드시 제로보다는 크게 된다. 말하자면 물체 1에서 물체 2에로 열이 확산함에 따라서 열 엔트로피는 반드시 증대된다.
각종 에너지의 유용성을 열 엔트로피에 의해 분류할 수 있다. 열 엔트로피가 없는 에너지로는 높은 곳에서 물체가 낙하할 때의 역학적에너지, 전기 및 자력에너지가 있다. 열 엔트로피가 비교적 낮은 에너지로는 가솔린이나 알코올 등의 화학에너지 및 고온 열원이 있다. 열 엔트로피가 큰 에너지는 폐열, 즉 저온 열원이다.
물체 엔트로피는 물질의 분자가 점유한 공간 체적이 클수록 크다. 동일 물질에서는 일반적으로 온도가 높아짐에 따라 고체, 액체, 기체의 순으로 공간 체적이 크게 되므로 물체 엔트로피도 이 순서대로 크게 된다. 두 종류 이상의 물질이 분자 레벨에서 혼합할 때 물체 엔트로피는 증대한다. 이것은 '혼합 엔트로피'라고 한다.
열 엔트로피와 물체 엔트로피는 서로 전화가 가능하다. 이를테면 기체를 압축하면 체적은 적어져 기체의 물체 엔트로피는 감소한다. 그 대신 기체는 압축에 의해 발열하여 열 엔트로피를 계외(系外)로 방출하게 된다.
열 역학 제2법칙은 "열도 물질도 출입하지 않는 독립계에서 엔트로피는 증대한
다"는 유명한 엔트로피 증대 법칙이다. 에너지를 동력으로 사용할 때, 동력은 최종적으로는 폐열이나 마찰열로 변한다. 거기서 확산된 열을 모아 다시 동력으로 바꿀 수 있다면 영구 운동이 가능하게 된다. 제2법칙은 이러한 영구 기관의 존재를 부정하고 있다. "열은 온도가 낮은 곳으로부터 높은 곳으로 마음대로 이동하지 않는다" "일단 확산된 컵 안의 잉크는 마음대로 원래의 집중된 상태로는 돌아가 지 않는다"는 사실도 제2법칙으로부터 끌어낼 수 있다. 지구환경이나 자원의 유한성은 이 제2법칙의 제약에 의해 규정되고 있는 것이다.