엔트로피

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

과학이나 물리학을 전공하지 않았기에 엔트로피에 대해서는 그저 열역학의 용어라는 것으로 대충만 알고 있었습니다.

고교 교육과정에서도 들어가는 경우도 있었고 빠지는 경우도 있었던 것으로 알고 있는데, 그만큼 난이도나 중요성에 대한 의견도 분분한 것 같다고 느껴집니다.

얼마전에 유튜브 알고리즘의 소개를 통해 엔트로피 관련 영상을 본 기억이 있어,

나름의 자신감을 가지고 보다 깊이있게 엔트로피 개념을 확립시켜보고자 이번에 이 책을 읽어보기로 도전하였습니다.

머리말에서 이 책의 목적을 명확하게 밝힙니다.

엔트로피의 개념을 해명하기 위해 쓰여졌으며 카르노의 연구로부터 클라우지우스의 엔트로피 개념이 형성되는 과정을 해설하는 일과 뭇알갱이계에서 정의된 볼츠만 엔트로피와 물리계들의 앙상블에서 정의된 깁스 엔트로피 사이의 차이점을 이해하고 둘을 연결하는 일에 신경을 썼다고 합니다.

그리고 전공자가 아닌 인문학자들을 위해 엔트로피를 이해하는데 필요한 물리 개념과 수식을 되도록 쉽게 설명하려고 했다는 점을 강조합니다.

그렇기에 조금은 편안한 마음으로 이 책에 접근할 수 있는 용기도 생겼습니다.

엔트로피는 물리계의 거시 상태를 표현하는 물리량이기 때문에 거시 상태를 표현하는 물리량 가운데 부피, 압력, 온도 등의 개념을 제대로 이해하는 것이 우선입니다.

그렇기 때문에 이 책에서도 압력, 온도, 열에 대한 것을 초반에 설명합니다.

이 부분의 내용은 고교 교과과정에서 배운 내용이 기반이 되기 때문에 따라가는 것이 크게 어렵지 않았습니다.

물리계의 기본인 공간과 알갱이의 개념을 설명하고, 그것을 바탕으로 멈춰진 알갱이에 힘이 주어져 움직임이 발생하는 것, 그리고 부피와 압력의 관계까지 물 흐르듯이 설명해줍니다.

온도를 설명함에 있어서는 열 접촉이나 열평형 개념을 이해하면 온도 개념을 확실히 할 수 있고 그것을 바탕으로 이상기체 방정식을 도출할 수 있도록 해줍니다.

물리계에서 알갱이가 흐르지 않고 그 부피에 변화도 없다면 물리계는 일하지 않는 것입니다.

하지만 이 상황에서도 에너지는 흐를 수 있는데 그 에너지의 흐름이 곧 열 흐름입니다.

우리에게 익숙한 대류, 전도, 복사를 통해 에너지의 흐름을 재확인 해주니 이해가 더 쉽게 되었습니다.

여기서 열 흐름이 물질 흐름인지 에너지 흐름인지 알아내는 것 자체가 물리학에서는 엄청난 진보였다고 합니다.

칼로릭이론 또는 열소이론은 열을 유체나 알갱이로 이해합니다.

그리고 여기서 열소를 알갱이로 이해하는 것과 알갱이가 아닌 유체로 이해하는 것의 미묘한 차이가 있다는 점도 잊지 말아야 합니다.

이를 바탕으로  카르노는 열기관, 클라페롱의 그래프를 거쳐 그 유명한 열역학 제1법칙, 에너지보존법칙에 도달하게 됩니다.

우리에게 익숙한 열역학 제1법칙을 이렇게 이끌어내고 또 여기서 엔트로피 개념까지 들여다 볼 수 있다니 신기하기도 하고 뿌듯하기도 했습니다.

이어 열역학 제2법칙이 설명됩니다.

한 물리계 바깥에서 열을 받아 그것을 모두 일로 바꾸는 물리 과정은 없다는 것입니다.

켈빈은 이 법칙을 한 열조로부터 열을 받아 그것을 모두 일로 바꾸는 열기관은 없다라고 달리 표현합니다.

켈빈의 이 표현을 켈빈-플랑크 진술 또는 열기관 진술이라 하며 표현 K라 합니다. 

이를 바탕으로 절대온도, 클라우지우스 부등식, 열 엔트로피로 조금씩 엔트로피에 다가가도록 도와줍니다.

물리계는 가능한 미시상태의 수가 적은 거시상태에서 가능한 미시상태의 수가 더 많은 거시상태로 바뀌는데 볼츠만은 엔트로피를 가능한 미시상태의 수에 비례하는 양으로 정의합니다.

볼츠만 엔트로피를 더 일반화 시킨 것이 정보 엔트로피이며 책에서 이 모든 것을 알려줍니다.

마지막 장에서는 흥미로운 엔트로피 관련 물음 8가지에 대한 답을 주고 있는데, 누구나 이 책을 읽기 전은 물론이고 읽으면서 떠올려 봤음직한 질문들이었습니다.

앞서 말했듯이 이 책은 전공자들이 아니더라도 큰 부담없이 엔트로피에 대한 개념을 명확하게 할 수 있도록 도와주려고 쓰여진 책입니다.

저는 전공자는 아니지만 고교 시절 화학2와 물리2를 배웠던 기억이 있어서 그런지 그때 배웠던 내용이 나올 땐 책의 흥미도가 확실히 올라갔습니다.

그리고 차근히 읽어보면 앞에서 설명한 내용을 바탕으로 그 다음 내용이 전개되고 결론이 도출되기 때문에 큰 부담없이 읽을 수 있었던 것 같습니다.

그렇기에 물리나 화학 등 과학에 흥미가 있으신 분들은 큰 부담없이 한번쯤 읽어보시면 좋을 것 같습니다. 

본 리뷰는 네이버 카페 문화충전200%의 서평 이벤트를 통해 도서를 무상으로 제공 받은 후 솔직하게 작성한 것입니다.

#엔트로피 #김명석 #학아재출판사 #문화충전 #서평이벤트 #학이재모노그라프 #물리학 #과학 #물리량 #공학 #부피 #압력  #열역학제1법칙 #열역학제2법칙 #열접촉 #열평형 #한결같음 #이상기체 #열소 #열기관 #카르노순환 #클라페롱그래프 #카르노정리 #절대온도 #클라우지우스부등식 #열엔트로피 #카르노기관의엔트로피 #평행의조건 #자유에너지 #기체의운동이론 #볼츠만엔트로피 #깁스엔트로피 #바른틀앙상블