엔트로피의 이해 - 서론

에너지 보존법칙은 이제 잊자. (수식 없이는 어려워서 못쓰겠음. -_-; 누가 돈 주면 쓸지도...)

에너지 보존법칙은 열역학에서는 제 1법칙에 해당한다. 이번엔 그 유명한 제 2법칙에 도전해 보자. 아직도 틀렸다고 주장하는 사람이 있는 그 2법칙이다. 다른 이름으로, 엔트로피의 증가 법칙이라고도 부른다.

말은 쉽다. "엔트로피는 증가한다"

뭐가 증가하는지 알기 전에, 일단 엔트로피가 뭔지 알아야 한다. 엔트로피는, 온도 변화에 필요한 열량으로 정의된다.

열역학에서는 온도와 열량은 측정해서 알 수 있는 것으로 생각한다. 그리고 열역학 제 2법칙은 열역학의 기본 "법칙"이므로 받아들이면 된다. 물리학에서 법칙이란 왜그러는진 모르겠는데 그렇다고 가정하면 모든 문제가 깔끔하게 해결되는 일종의 마법을 의미한다. 따라서 열역학 법칙은 그냥 받아들이고 외워서 문제를 풀면 된다.

하지만 "법칙"이 아니라고 한다면? 좀 더 본질적인 측면에서 보면 그것은 법칙이 아니라 유도되는 당연한 결과 아닐까?

어떤 물체의 온도와 열에너지에 관련된 문제를 풀다 보면, 어쩔 수 없이 통계역학에 손을 대야 하는 때가 오는데, 흥미롭게도 열역학에서 사용하는 "기본" 물리량들이 통계역학에서는 유도되는 물리량이 되는 것들을 확인할 수 있다. 그렇다면 엔트로피를 알아내는데 사용하는 물리량들이 유도되는 물리량이니까, 열역학 제 2법칙도 결국은 어딘가에서 유도되는 법칙일지도 모른다.

사실 열역학 문제는 이상기체 상태방정식과, 조금 어려워 진다면 열 전달 방정식으로 거의 다 풀 수 있다.^[각주:1] 하지만 그것만으로는 부족하다. 열역학으로 풀 수 없는 열역학 문제도 존재한다. 그래서 통계역학을 도입한다. 그리고 통계역학은, 알다시피 분배함수 하나로 거의 모든 문제를 해결한다. 엔트로피도 분배함수에서 유도되는 양이다.

그러니까 도대체 무슨 얘기를 하고 싶은건가. 엔트로피가 도대체 뭔지, 그것부터 이해해야 한다.

(다음글에 계속...)

1. 그 방정식을 푸는 건 수학의 문제니까 조금 다르다. [본문으로]