엔트로피 (Entropy)란 무엇인가 ?

막스 글루크만(Max Gluckman) : 과학이란 우리 세대의 가장 어리석은 사람조차 지난 세

대의 천재 보다 앞서갈 수 있는 학문이다.

​

엔트로피 세계관

​

물리학의 다양한 법칙들 중 우리의 삶에 직접적인 영향을 끼치고, 삶의 태도와 방식에 대해 고민해 볼 수 있는 법칙이 있다. 바로 엔트로피의 법칙이다.

'엔트로피'의 저자 제러미 리프킨은 엔트로피에 대한 세계관을 가지고 있는 사람이다.

'엔트로피 법칙'은 특별한 힘을 가지고 있다. 그 힘은 워낙 절대적이어서 이 법칙을 충분히 이해하기만 하면 인생관이 바뀔 것이다. 그런데 이렇게 신비스러울 정도로 매력이 있는 '엔트로피 법칙'은 받아 들이기 조차 두려운 것이다.

​

세계관을 바꾸기 위해서는 우리가 오랫동안 진리라고 믿어 온 것들을 그 뿌리부터 흔들어야 한다. 근본부터 변화를 주어야 하기 때문에 당연히 어렵고, 때론 거부감 마저 든다. 아마 몇 백년전 코페르니쿠스와 갈릴에오 갈릴레이의 시대를 살았던 사람들도 그랬을 것이다. 하늘이 지구를 중심으로 돈다고 철석같이 믿었는데, 지구가 태양을 돈다니...

내가 그 당시에 살았었다 해도 미친사람의 헛소리라고 생각했을지 모른다.

사람들이 그 새로운 진리를 받아들이기까지 오랜 시간이 필요했다.

세계관이 바뀌는 데는 시간이 필요하다. 어느 한 과학자의 낯선 주장이 아닌, 수많은 과학자들에 의해 증명된 법칙이라면 우리는 사실로 받아들여야 한다.

​

열역학 법칙의 이해

엔트로피를 이해하기 위해 우선 열역학 제1법칙과 제2법칙 부터 알아야 한다.

'열역학'이라는 단어 부터 생소하다. 하지만 '열역학'은 단순하게 '열'과 '일'을 연구하는 학문 정도로만 이해하면 된다.

열역학에는 몇가지 법칙들이 있는데 가장 중요한 열역학 제1법칙과 제2법칙만 알아도 된다.

  ▣ 열역학 제1법칙 : 우주의 에너지 총량은 일정하다 : 에너지 보존의 법칙

  ▣ 열역학 제2법칙 : 엔트로피의 총량은 지속적으로 증가한다. 엔트로피 증가의 법칙

​

제1법칙은 간단히 말해 에너지는 결코 창조하거나 파괴될 수 없으며 한 가지 형태에서 다른 형태로 변환될 때 그 총량은 일정하다는 말이다. 열역학 제2법칙은 엔트로피 증가 법칙이라고도 하며, '고립된'계(세상, 환경 등)에서 엔트로피는 항상 증가한다는 것을 말한다. '고립된 계'란 우주와 지구를 포함한 이 세상이라고 이해하면 된다. 이 세상에서 에너지는 한 상태에서 다른 상태로 변화할 때마다 일할 수 있는 유용한 에너지는 손실된다. 그 손실된 것을 가리키는 용어가 바로 '엔트로피(ENTROPY)다. 엔트로피를 제대로 이해하기 위해서는 별명을 붙여주는 것이 좋다. '무질서', '폐기물', '쓰레기', '오염물질' 등의 별명이 좋겠다. 다시 설명하면 이 세상에서 유용한 에너지들은 계속 손실되며, 그로 인해 엔트로피(무질서, 폐기물, 쓰레기 등)는 점점 증가한다.

​

열역학 제1법칙과 제2법칙은 자동차 엔진을 통해 쉽게 설명될 수 있다. 자동차는 연료(휘발유, 경유 등)라는 화학에너지를 자동차 엔진(열기관)에서 연소시켜 움직인다. 화학에너지는 열에너지로 전환되고, 이 열에너지는 운동에너지로 전환되어 자동차를 움직이게 한다. 운동에너지로 전환되는 과정에서 일부 에너지는 밖으로 방출되어 빠져 나가고, 다른 일부는 엔진이 돌아갈 때의 소리에너지로도 전환된다. 즉, 휘발유를 연료로 자동차 엔진을 가동할 때, 엔진과 연결된 바퀴를 굴러가게 할 수 있지만, 방출되는 열에너지로 인해 보닛이 뜨거워지고, 소음을 유발한다. 또한 매연을 방출한다. 방출되는 열에너지와 소리에너지는 에너지로 분류되지만 다른 일을 하는데 쓸 수는 없다. 자동차 소음으로 무슨 일을 하겠는가 ?

방출되는 열에너지 또한 다시 운동에너지로 쓰일 수는 없다.

​

우리는 공간 이동을 위해 자동차를 타고 이동한다. 이때, 자동차를 움직이게 하는 유용한 에너지는 자동차가 움직임에 따라 일을 하기에 부적합한 에너지 (소음, 열, 매연 등)로 전환된다. 즉, 엔트로피가 증가하는 방향으로 변환된다. 엔트로피가 증가한다는 것은 유용한 에너지가 감소한다는 의미이기도 하다.

​

엔트로피 이해

엔트로피라는 용어는 1865년 독일의 이론 물리학자인 루돌프 클라우지우스(Rudolph Julius Emanual Clausius)가 처음 고안해 냈다. 이 말은 그리스어 'energie + trope (turning) + y'의 합성어로 부터 유래된 것인데 '에너지의 변화'를 뜻한다.

​

엔트로피는 우리 일상생활에서도 그 예를 찾을 수 있다.

우리가 사용하는 방을 예를 들어 보자. 방을 청소하거나 물건을 정리하는 일제츼 행동을 하지 않고 일주일 동안 그냥 방치해 두어 보자. 일주일 뒤 심한 정도의 차이는 있겠지만 우리의 방은 당연히 어질러져 있을 것이다. 이게 바로 열역학 제2법칙이다. 너무 쉽지 않은가 ?

당연히 어질러지는게 열역학 제2법칙이라니...

우리가 에너지를 투입하여 어떤 조치를 취하지 않는 한 방은 무질서하게 어질러지게 되어 있다. 방은 스스로 깨끗해지지 않고, 널브러진 옷가지들은 스스로 정리되지 않는다. 내가 하든, 부모님이 하든, 로봇 청소기가 하든 누군가는 에너지를 투입하여 방바닥을 쓸고 닦아야 하고, 널브러진 옷을 개서 옷장에 넣어야 한다. 엔트로피 증가의 법칙을 거슬러야 한다. 그래야 질서가 생기고 정리가 된다. (엔트로피를 감소시키는 활동 또한 어딘가에서 엔트로피를 증가시킨다. 하지만 이 정도만 이해하자.)

 

 

'어질러짐', '더러움', '널브러진 옷가지들' 등이 바로 '엔트로피'다. 자연스러움이라고 이해해도 좋을 것 같다. 엔트로피는 이렇게 늘 증가하는 방향으로 흐를 수 밖에 없다. 뜨겁게 조리된 음식은 그 냥 두면 자연스럽게 식고, 더 오래 두면 상하기 마련이다. 이렇게 우리가 자연스럽다고 알고 있는 현상들은 열역학 법칙으로 설명이 된다. 엔트로피 법칙은 자연의 이치와 삶이 돌아가는 원리를 설명할 수 있게 되고 세상을 보는 화질을 보다 선명하게 해준다.

그래서 우리는 엔트로피를 알아야 하고, 어렵지만 이해하여 우리 삶에 적용시켜야 한다.

​

"엔트로피 법칙은 자연의 이치와 삶이 돌아가는 원리를 설명할 수 있게 되고 세상을 보는 화질을 보다 선명하게 해 준다"

​

다시 한번 말하자면, 엔트로피는 고립된 계(세상, 환경 등)에서 증가하는 방향으로 변화한다. 하지만 유일하게 엔트로피를 감소시킬 수 있는 경우가 있는데, 고립되지 않은 개방된 상태일 경우이다. 이 개방된 상태를 의미하는 것이 바로 '생명체의 활동'이다. 사람을 포함한 생명체는 주변 환경으로 부터 에너지 (산소, 음식 등)을 흡수하여 얻은 자연을 에너지로 전환하며 살아간다. 그래서 우리는 죽지 않고 살 수 있는 것이다.

​

우리는 어떤 생각이나 행동을 할 때, 심지어 가만히 누워만 있어도 에너지를 소비한다. 에너지 투입없이 이렇게 계속 소비만 하다가는 엔트로피가 최대가 되는 평형상태에 이르게 되고, 결국 '죽음'을 맞이 한다. 즉, 우리 인간은 열역학 제2법칙에 저항하여 끊임없이 엔트로피를 줄여 나가며, 질서 있는 상태가 되기 위해 애쓰는 과정을 통해서만 생명을 유지할 수 있다. 결국 죽음이라는 것은 우리가 '고립된' 상태, 즉, 이세상과 더 이상 상호작용을 하지 못하는 상태, 엔트로피가 최대가 되는 평형상태에 이르게 되는 경우를 말한다.

​

우리는 우리 주변 환경의 소중함을 곧 잘 알고 있다. 너무나도 당연히 태양은 하늘에 떠 있고, 우리가 숨 쉴 수 있는 공기는 항상 우리 곁에 있다. 하지만 우리에게 주어진 평범한 일상은 그냥 거져 주어지는 것이 아니다. 이런 환경이 주어지는 이유는 외부의 에너지가 지속적으로 우리에게 투입되기 때문이다. 우리가 죽지 않고 살아갈 수 있는 것은 우리를 둘러 싼 세상이 우리에게 끊임없이 에너지를 공급해 주기 때문이다.

​

이제 우리의 삶 다양한 곳에서 엔트로피를 적용해 보자. 나이를 먹으면서 늘어나는 체중은 어떨까 ? 나이가 들어감에 따라 체중이 느는 것은 자연스러운가 ? 체중이 감소하는 게 자연스러운가 ? 상황에 따라 다르겠지만. 요즘에는 나이를 먹어감에 따라 체중이 느는게 자연스럽게 받아들여 진다. 체중이 늘어나는 것을 엔트로피가 증가했다는 것으로 이해할 수 있다. 엔트로피를 감소시켜야 한다. 가만히 두었다가는 엔트로피가 극대화되는 상황, 즉, 평형상태가 되기 때문이다. 엔트로피를 감소시키기 위해 우리는 '운동'이라는 에너지를 투입할 수 있다. 운동을 통해 체중을 감소시킬 수 있고, 체중이 감소한다는 것은 엔트로피가 감소되는 것을 의미한다. 이러한 변화는 점진적으로 일어난다. 운동을 해도, 운동을 하지 않아도, 그 변화를 즉각적으로 깨닫기는 어렵다. 하지만 엔트로피 법칙에 따라 운동이라는 에너지를 투입하지 않으면 엔트로피(체중)는 늘어만 갈 것이다.

​

엔트로피 법칙을 통해 우리는 우리의 평범한 삶이 평범하지 않다는 것을 알게 되었다.

우리의 삶을 영위하게0 해주는 이 세상의 소중함에 대해 고마워할 줄 아는 마음과 엔트로피를 감소시키는 활동을 왜 해야 하는지 이해하는데 도움이 되었으면 한다.

​

엔트로피란 무엇인가?

​

물리에 관심이 많은 분이라면, 엔트로피라는 말을 들어 보신 적 있으실 거예요.

고전물리학에 따르면 자연의 모든 현상은 엔트로피가 증가하는 방향으로 일어나고 있다고 알려져 있습니다.

예를 들어 물에 잉크를 떨어트리면 잉크 분자가 물 전체에 골고루 퍼지는 걸 볼 수 있죠?

이런 현상을 확산이라고 합니다.

즉, 잉크 방울이 모여있는 상태를 질서 있는 상태라고 하면, 잉크 방울들이 흩어져 있는 상태는 무질서한 상태라고 할 수 있습니다.

​

이처럼 자연은 무질서한 상태로 나아가려는 경향을 보입니다.

이를 엔트로피 증가의 법칙이라고 합니다.

​

이 '엔트로피'가 무엇이고 어떻게 탄생 되었는지 알아보도록 하겠습니다.

독일 출신의 물리학자 루돌프 클라우지우스는 카르노가 주장했던 칼로릭 이론에서의 칼로릭의 움직임과 줄이 주장했던 에너지 보존 법칙 사이에서 결정적인 모순이 발생한다는 사실을 알아차렸습니다. 카르노는 높은 온도에서 낮은 온도로 이동해가면서 일을 만들어내는 칼로릭은 일을 만들어준 다음에도 소모되지 않고 그대로 낮은 온도로 방출된다고 이야기했습니다.

즉, 칼로릭은 보존된다고 이야기했던 것이죠.

​

반면 줄은 일을 만들어내는 본질 자체가 '열'이라고 여겼으며, 그렇기 때문에 열과 일의 총량은 언제나 보존된다고 주장했습니다.

여기에서 커다란 문제가 발생합니다. 카르노의 생각을 들여다보겠습니다.

높은 온도에서 만들어진 따뜻한 칼로릭, 즉 열은 기관 안으로 들어갑니다.

기관은 칼로릭을 받아들이며 일을 만들어냅니다.

칼로릭은 기관이 일을 할 수 있도록 임무를 완료한 뒤, 기관 바깥으로 방출되게 됩니다.

바로 이 시점에서 카르노는 칼로릭의 양이 처음 양과 같다고 이야기했습니다.

그러나 줄에 따르면 이러한 일은 일어날 수 없습니다, 왜일까요?

에너지보존법칙에 의해 기관에서 일로 전환된 열만큼 방출되는 열의 양은 줄어들어 있어야 하기 때문이죠.

​

이러한 문제를 해결하기 위해 '열은 높은 곳에서 낮은 곳으로 흘러간다'라는 카르노의 아이디어는 그대로 유지하면서 칼로릭이 보존된다는 아이디어는 과감하게 버려버립니다.

이 생각을 버리면 칼로릭으로 기관을 설명했던 카르노의 설명방식과 줄의 에너지보존법칙을 모순 없이 통합시킬 수 있습니다.

​

이러한 생각을 담아 클라우지우스는 1850년에 자신의 이론을 담은 논문을 발표하게 됩니다.

​

열은 높은 온도에서 낮은 온도로 이동하며 그러한 과정에서 발생하는 일은 모두 열로부터 바뀐 것이다, 낮은 곳으로 방출되는 열은 처음 열에서 일로 변환한 만큼을 뺀 나머지들이다, 라는 논문이 바로 그것이죠.

하지만 클라우지우스는 여전히 알 수 없었습니다.

왜 열은 대체 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동하는가? 에 대해서 명확히 설명할 수 없었던 것이죠.

그러던 와중 그와 같은 문제를 궁금하게 여겼던 한 과학자에 의해 자연에서 일어나고 있는 열의 움직임을 합리적으로 설명할 수 있는 실마리가 제공되게 되는데요.

​

이 과학자가 바로 윌리엄 톰슨입니다.

그 역시 카르노와 줄의 업적 사이에 모순점이 있다는 사실에 대해 고민하고 있었는데, 마침 클라우지우스가 이러한 고민에 관한 논문을 발표했다는 소식을 듣게 됩니다.

이 논문을 면밀히 들여다본 톰슨은 클라우지우스가 설명하지 못한 부분에 대해 해결하기로 마음먹습니다.

왜 열이 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동하는지에 대한 본질을 규명하기로 마음먹은 것입니다.

이해를 돕기 위해 높은 곳에서 100만큼의 열이 투입되었을 때 40만큼이 일로 변환되는 기관을 상상해봅시다.

이 기관이 이상적으로 동작해 높은 곳의 열이 정확하게 40만큼 일로 변환되었다고 했을 때 남은 60만큼은 낮은 곳으로 이동하는 모습을 떠올릴 수 있습니다.

​

여기에서 톰슨은 기막힌 역발상을 통해 극단적인 수를 둡니다.

100이라는 열이 전부 100이라는 일로 바뀔 수 있는 기관이 존재할까? 톰슨은 이러한 가정이 일어날 수 없다는 사실을 금세 알아차렸습니다.

이러한 일이 일어난다는 것은 곧 아무런 외부 간섭이 없는 공간 속에 채워 넣은 공기가 갑자기 아무 이유 없이 한쪽으로 이동해서 방 안의 물건을 밀어내거나 또는 갑자기 아무런 진동도 없는 수면이 갑자기 한 부위만 솟아오르거나 하는 일이 일어난다는 것입니다.

​

톰슨은 이러한 사고를 토대로 자연에서는 절대 스스로 차가운 곳에서 따뜻한 곳에서의 이동이 불가능하다는 것을 추론하게 되었고, 이를 통해 열은 자연적으로 손실이 되는 방향으로 이동하게 된다는 사실을 발견하게 됩니다.

​

동시에 그 손실된 양은 일로 나타나면서 물체를 밀어내 바람을 만들고 또는 엔진을 가동하게 됩니다.

이것이 바로 열역학 제2 법칙, 열의 이동을 나타낸 법칙입니다.

클라우지우스는 톰슨의 이러한 아이디어를 수학적으로 정리하는 데 성공하게 됩니다.

1865년 그는 열이 할 수 있는 무언가를 온도로 나눈 수학적인 값을 통해 자연에서 일어나는 변화를 설명할 수 있는 아이디어를 고안하게 됩니다.

​

뉴턴이 질량을 정의했던 것과 마찬가지로 클라우지우스는 이 새로운 개념을 '엔트로피'라고 이름 짓게 됩니다.

​

열역학 제2 법칙 톰슨과 클라우지우스로부터 탄생한 이 법칙은 엔트로피가 어떻게 변화하는지 설명하는 법칙으로, 우리의 자연은 에너지가 유입되지 않는 이상 반드시 엔트로피가 증가하는 방향으로 진행된다는 사실을 알게 되었습니다.

​

열역학 제2 법칙, 엔트로피에 대해 알아봤는데요.

사실 엔트로피의 법칙은 모든 공간에서 성립하는 절대적인 법칙은 아닙니다.

대표적으로 블랙홀과 같은 천체, 그리고 양자역학의 세계에서는 엔트로피의 법칙이 성립하지 않는 경우도 존재하고 있습니다.

​

​

#열역학 #엔트로피 #무질서 #카오스 #제1법칙 #제2법칙 #entropy #톰슨 #클라우지우스 #카르노 #에너지 #보존