엔트로피

엔트로피 ㅣ 학아재 모노그라프 1
김명석 지음 / 학아재 / 2024년 1월

오토 폰 게리케는 소방펌프를 개선하는 가운데 1650년 공기 펌프를 처음으로 만들었다. 공기 펌프를 써서 닫힌 그릇 안에서 공기를 빼낼 수 있는데 공기를 빼내면 그릇 안은 공기가 거의 없는 상태가 된다. 이미 그는 코페르니쿠스의 우주론을 알게 된 뒤에 우주 공간을 이루는 '진공'을 매우 신비롭게 여겼다. (-36-)

게이뤼삭은 1808년 매우 야릇한 사실을 알게 됐가. 수소 기체와 산소 기체가 만나 물 기체를 만들 때 이들 기체의 부피가 2대 1였다. 화학 반응에 기체들이 참여해 새로운 기체를 만들 때 이들 기체 부피 사이에 정수비가 성립한다. 이를 "기체 반응 멉칙' 또는 "게이뤼삭의 법칙"이라 한다. (-92-)

열역학 제1법칙

물리계는 열린계와 닫힌 계로 나뉜다. 열린 물리계는 그 물리계안팎으로 물질이나 알갱이가 드나들 수 있다.세포, 생뭎체, 기계 따위 개별 물체들은 대체로 열린계다. 닫힌 물리계는 그 물리계 안팎으로 물질이든 알갱이든 드나들 수 없다. 다만 닫힌 물리계 안팎으로 열이 흐를 수 있고, 그 물리계가 바깥에 일할 수 있고, 바깥에서 그 물리계에 일해줄 수도 있다. (-158-)

한 물리계가 처한 상태를 나타내는 방법은 여러가지다. 물리계의 상태를 나타내는 물리량을 "상태 변수"라 한다. 이들 상태변수 가운데 우리는 '부피,',압력','온도' 를 다루었다. 이상 기체 방정식 "PV =kNT"처럼 부피, 압력, 온도 사이에는 관계식이 성립한다. (-233-)

알갱이들은 늘 넓게 퍼지고 늘 섞이는가? 늘 그렇지는 않다. 열은 더 뜨거운 곳으로 흐를 수 있는가? 흐를 수 있다. 엔트로피 법칙은 엄밀 법칙인가? 아니다. 엔트로피는 온도보다 더 바탕 개념인가? 그렇다. 온도 개념은 다만 발견의 차원에서 엔트로피 개념의 바탕일 뿐이다. 엔트로피는 무질서인가? 우리가 '질서'와 '무질서'를 어떻게 이해하느냐에 따라 그 앞이 달라진다. 엔트로피는 시간 흐름을 낳는가? 엔트로피는 시간 흐름을 낳지 못하고 시간을 만들 수 없으며 시간을 정의할 수도 없다. 엔드로피는 우리 앎에 따라 달라지는가? 잘라질 때도 있지만 그러 때조차도 우리 앎은 엔트로피가 달라진 직접 원인이 아니다. (-311-)

열역학 제1법칙 은 질량보존의 법칙으로,고립계의 내부 총질량은 변하지 않는다는 것을 뜻한다.이 과학적 논리는 이 우주가 고립계이며, 초기 우주의 엔트로피가 지금과 다르지 않다는 것을 과학적 근거에 따라 증명하고 있다.

이제 열역학 제2 법칙이 나온다. 루돌프 클라우지우스(1854), 켈빈 남작(1851), 콘스탄티노스 카라테오도리(1909)에 의해 과학적으로 증명한 바 있는 열역학 제2 법칙은 열은 질서에서,무질서로 이동한다는 개념을 가기고 있으며, 우주 전체로 볼때, 엔트로피의 양은 증가한다고 보고 있다.여기서 열의 개념과 에너지의 개념을 이해할 필요가 있다. 열이라는 속성은 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동한다. 원자력 발전이나, 석탁, 수력발전의 원리도 열역학 제2법칙에 다르고 있으며, 열이 에너지로 전환되는 과정에서,에너지 손실은 불가피하다고 보고 있다.

책 『엔트로피』는 원자와 분자의 특징, 고체,액체,기체의 특징에 대해 이해를 돕고 있다. 분자의 이동이 열의 이동이며, 인간의 활동 중에서,에어컨을 키면, 엔트로피의 양은 줄어들지만,에어컨을 키는 과정에서, 엔트로피의 절대량은 더 증가한다는 사실이다. 인간의 삶 전체로 볼 때, 우리는 지금 기계론적 세계관을 가지고 살아간다. 그로 인해 석탄과 지구 자원을 무분별하게 사용하고 있으며,그것을 엔트로피의 개념으로 볼 때, 인간이 석탄을 이용하여, 열로 전환되지만, 열이 석탄으로 전환되지 않는다. 필연적으로 인간의 자원 낭비는 인간의 생존 자체를 위태롭게 할 수 있으며, 세균이나 바이러스의 생존법, 엔트로피 세계관으로 전환할 때, 인간과 인류가 앞프로 살 길이라고 보고 있다.