내가 이해한 열역학 법칙 (에너지 보존, 엔트로피의 법칙)

사진: Unsplash 의 Daniele Levis Pelusi

우주 전체의 에너지는 보존되지만, 쓸모 있는 에너지의 양은 계속 감소된다.

• 전제: 우주와의 관계에서 지구는 *닫힌(고립된) 계
  *: 외부로 확장되지 않는 반응 체계

열역학 제1법칙 (에너지 보존의 법칙)

• 외부와 에너지 교환이 없는 고립계인 우주 전체의 물질과 에너지의 총량은 일정해서
• 더 생성되거나 소멸되지 않고
• 오직 어떤 상태에서 다른 상태로 바뀔 뿐이다.

"...사실 존재하는 모든 것의 모습과 형태 그리고 움직임은,
에너지를 여러모로 집중·변환시킨 결과가 구체적인 형태로 나타난 것에 지나지 않는다."

"모든 에너지는 양적 상징에 지나지 않는다."

 

 

열역학 제2법칙 (엔트로피의 법칙)

• 고립된 계의 엔트로피는 증가하는 현상만 일어나며 감소하지 않는다.
• 사용해버린 에너지(엔트로피가 높은 상태)를 같은 양의 엔트로피가 낮은 에너지로 다시 되돌리는 것은 불가능하다.

엔트로피?

1. 무질서의 정도

 

• 엔트로피가 낮다? 무질서한 상태
  • 무질서한 상태 == 무차별한 상태
• 엔트로피가 높다? 질서가 갖춰진 상태
  
  • 모든 좌표가 균일한, 평형 상태로 나아가게 된다

2. 에너지의 쓸모

• 무질서한 에너지는 활용되기 어렵다.
• 가장 활용하기 어려운 에너지는 열.
  열은 온도를 제외하면 그 어떤 방향성도 없이 접촉한 공간을 통해 방출/복사되는 무질서한 에너지.
• 어떤 에너지가 열로 변환된다? 엔트로피가 증가한다.
  → 그러나 거의 모든 에너지가 열 에너지로 변환된다.
• 엔트로피는 끊임 없이 증대한다.

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• 엔트로피의 증대? 질서정연한 상태에서 무질서한 상태로 변화했다 == 사용이 불가능한 에너지가 증가한다.
• 엔트로피가 증가하는 것은 법칙에 따른 자연스러운 현상

 

 

엔트로피 법칙의 관점에서는 죽어서 모든 것이 소멸되는 것도, 자연의 원리

생명 현상과 연결지어 생각해보면

• 형체를 가지고 있는 것: 엔트로피가 낮은 상태
• 형체를 잃어버린 것: 엔트로피가 높은 상태

→ 죽어서 모든 것이 소멸되어 엔트로피가 높은 상태로 가는 것

 

 

빅 프리즈 이론 : 최대의 엔트로피 상태는 우주의 멸망

엔트로피 법칙의 우주론적 결과로서 히트 데스 (heat deathl; 열죽음)이 불가피할 것_클라우지우스

• 전 우주의 모든 반응은 결국 엔트로피가 증가하는 방향으로 가니까
• 사용 가능한 에너지가 완전히 사용 불가능한 에너지로 바뀜
• 엔트로피 무한대의 더 이상 아무런 반응도 일어나지 않는 빈 공간
• → 아무 일도 일어나지 않는 영원한 정지 상태
• → 시간이라는 것이 더 이상 존재하지 않는 열역학적 종말 상태

 

엔트로피를 감소시키기 위해서는?

• 외부에서 에너지를 투입해야 한다.
• 하지만 어떤 에너지가 열 에너지로 바뀔 때의 양보다, 반대의 변환 과정에서 더 많은 에너지가 필요하다.

 

인류의 에너지 변환효율은 처참한 수준

• 변환과정이 많아질 수록 에너지의 대부분이 버려질 뿐
• 원래 의도하는 일에 쓰이는 양은 극히 드물다.

 

열역학 법칙은 카지노 도박과 같다 _ 제임스 러브록의 비유

• 모든 계에서의 돈의 총합은 일정하다
• 도박은 돈을 잃을 뿐이고, 잠시 따게 될지라도 결국에는 모두 잃게 된다.

 

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https://m.dongascience.com/news.php?idx=37725

[사이언스N사피엔스] 열역학과 엔트로피

https://m.yeongnam.com/view.php?key=20041104.010151016440001

[현대사회의 이해] 엔트로피의 법칙