엔트로피

{{|1865년 R.E.클라우지우스가 변화를 뜻하는 그리스어 τροπη에서 이 물리량을 엔트로피라 이름하였다. 이론적으로는 물질계가 흡수하는 열량 dQ와 절대온도 T와의 비 dS=dQ/T로 정의한다. -- 두산동아백과사전|}}

엔트로피는 무엇보다도 물질계의 열적 상태로부터 정해진 양으로서, 엔트로피 증가의 원리는 분자운동이 확률이 적은 질서 있는 상태로부터 확률이 큰 무질서한 상태로 이동해 가는 자연적 현상으로 해석된다. 다시말해 분자운동에 개별성이 있는 질서 있는 상태에서 분자운동이 균일해지는 무질서상태로 이동해 가는 것이다. 이들은 어느 경우에나 엔트로피가 증가하지만 그 반대의 과정은 마치 난잡하게 흩어져 있는 실내를 원래의 정연한 상태로 정리하는 것처럼 무질서에서 질서로 옮겨가는 것이며 이 과정은 자발적으로 일어나지 않는다.

다시말해 자연적 상태로서 엔트로피는 증가하기만 한다는 말이다. 위의 설명처럼 역엔트로피는 자발적으로 일어나지 않는다고 한다면, 모든 물질은 가만히 두면 망가지게 된다는 뜻이 된다.여기서 말하고 싶은 망고의 관심사는 물리,화학학적인 엔트로피에 대해서가 아니다. (그런건 어려워서 이해도 못한다.) 삶에 대한 엔트로피를 말하고 싶다... -- 망고

엔트로피 증가의 법칙을 거시적으로 본다면 "에너지"를 통해서 설명할 수 있습니다. 모든 에너지는 열 에너지로 전환될 수 있지만, 그 역은 불가능한 것입니다. 하지만 분자의 수준까지 들어가 봤을 때에는 열 에너지와 다른 에너지의 구분이 미묘하기 때문에 다른 형태의 설명이 필요하며, 여기에 대해서는 저도 제대로 설명할 자신이 없습니다. 그렇기 때문에 분자 단위가 아닌 입자 정도의 수준에서 설명해 보겠습니다.

무중력 상태이고, 진공인 어느 상자 안에 무수한 입자가 흩어져 있는 모습을 상상해 봅시다. 입자들은 서로 제각각으로 운동하고 있고 가끔 부딛히게 됩니다. 두 입자가 부딛힐 때 다음과 같이 두 가지 경우를 생각해 볼 수 있습니다. 둘이 한 덩어리가 되어서 운동할 경우, 완전 비탄성 충돌로 설명할 수 있는데, 운동량은 보존되지만 운동에너지는 보존되지 않습니다. 에너지의 일부가 열 에너지로 빠져 나갔다는 것입니다. 만약 둘이 충돌해서 한 덩어리가 되지 않고 튕겨 나갔다면, 완전 탄성 충돌로 설명할 수 있습니다. 하지만 모든 경우 "완전"이란 말을 붙일 수가 없는 것이, 완전 충돌이란 두 입자 사이의 마찰과 인력을 무시한 충돌 모델이기 때문입니다. 결국 마찰력과 인력 때문에 두 입자의 운동량과 운동 에너지는 모두 줄어들게 되고 손실된 에너지는 열 에너지라는 형태를 띄게 됩니다. 입자가 서로 충돌을 하지 않았다고 해도 서로 인력에 영향을 받기 때문에 역시 에너지를 손실하게 됩니다. 얼마나 시간이 걸릴 지는 모르겠지만, 언젠가는 그 상자 속 입자들이 역학적 에너지를 모두 잃게 될 것이라고 추측해 볼 수 있습니다. 이것은 상자 전체에 중력이 작용한다고 해도 마찬가지일 것입니다. 입자들은 중력이 작용하는 방향에 "가라앉게" 될 것이고 언젠가는 모든 운동을 멈출 것입니다.

지구로 돌아와서, 기름이 담긴 병에 물 한 방울을 떨어뜨렸다고 생각해 봅시다. 물과 기름이 섞이지 않는다는 것은 다시 말해서 물 분자와 기름 분자 사이의 인력이 물 분자끼리의 인력이나 기름 분자끼리 인력보다 약하다는 것입니다. 물방울은 기름 표면에 떨어지지만 기름 분자와의 인력이 약하기 때문에 대체로 확산되지 않습니다. 물이 밀도가 더 크기 때문에 물 분자들은 물방울을 이룬 채로 가라앉습니다. 물방울의 위치 에너지가 운동 에너지로 변하고, 그 운동 에너지 역시 기름과의 마찰 때문에 일부가 열 에너지로 바뀌어서 물방울이 공기중에서보다 더 천천히 가라앉는 것을 볼 수 있을 것입니다. 아마 물 분자 중에서는 물방울을 이탈해서 기름에 섞일 만큼 운동 에너지가 큰 것도 몇 개 있을 것입니다. 하지만 그 역시 천천히 가라앉게 될 것입니다. 결국 모든 물 분자는 바닥에 깔리고, 물의 표면장력과 기름의 표면장력이 평형을 이루는 형태를 하게 될 것입니다. 그 이후에도 표면 사이에서 기름 분자와 물 분자가 교차하는 일이 있겠지만 분자들은 다시 되돌아오면서 그 운동 에너지의 일부는 열로 전환될 것입니다.

위에서 얘기했던 상자 속의 입자들이 제각각으로 운동하는 상태와 물방울이 기름 표면에 떨어진 순간의 상태를 엔트로피가 낮은 상태라 하고, 역학적 에너지를 잃어버린 상태를 엔트로피가 높은 상태라고 합니다. 즉, 엔트로피란 총 에너지 중에서 다른 에너지가 얼마나 열에너지로 많이 바뀌었는가에 대한 척도라고 생각하셔도 좋습니다. 앞서 말한 인력과 중력에 의한 작용은 위치 에너지를 운동 에너지로 전환시켜 주는 것이며, 자발적으로 일어납니다. 그리고 이 모든 현상은 엔트로피를 높이는 데에 기여합니다.

다른 모든 에너지가 사라지고 나서 열 에너지가 어떻게 되는지 생각해 봅시다. 열 에너지는 분자의 진동으로 설명되며, 열은 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동합니다. 모든 우주의 분자가 열을 주고받는다는 것을 상정하면 언젠가는 이 우주가 같은 온도가 될 것이라고 예측해 볼 수 있고, 그렇게 된다면 열은 더이상 일을 하지 않으므로 열 에너지는 존재하지 않는 것이 됩니다. 그렇기 때문에 과학자들은 엔트로피를 역전시킬 수 있는 방법이 없는 이상 우주는 언젠가는 멸망할 것이라고 예측합니다.

이제 위 글의 "확률"에 대해서 얘기해 보겠습니다. 물이 담긴 수조에 잉크 한 방울을 떨어뜨리면 잉크 분자는 물에 확산되겠지만, 확산되고 나서 우연히 잉크 분자 두 개가 다시 모이게 되는 확률을 생각해 볼 수 있습니다. 물을 기름에 떨어뜨렸을 때 기름 분자들의 운동이 딱 맞아 떨어져서 물이 한동안 가라앉기를 거부하는 것처럼 보일 지도 모릅니다. 우주가 열을 잃어버리기 직전에 어떻게 열이 한 곳에 집중하는 일이 생겨서 화학반응이 생기는 바람에 우주의 수명이 얼마간 연장될 지도 모릅니다. 하지만 이것은 비교할 수 없을 정도로 큰 확률 차이에 의한 것으로, 아무리 확률이 있다고 해도 잉크 분자들이 스스로 잉크 방울을 이뤄서 석출되는 식의 일은 기대하기 어려운 것입니다. 이런 경우 미시적으로는 엔트로피가 작아졌다고 볼 수 있지만 거시적인 법칙을 거스르는 현상은 아닙니다.

--PuzzletChung

먼저 에너지에 대해서 생각해보시길 바랍니다. 금속은 무척 질서정연하게 배열된 원자들입니다. 왜 원자들이 멋대로 위치하지 않고 저렇게 질서정연한 구조를 이룰까요? 물론 에너지가 낮기 때문입니다. 물과 기름이 섞이지 않는 것은 섞여 있는 상태가 분리되어 있는 상태보다 에너지가 훨씬 높기 때문입니다. 중력이 달을 지구에 붙들어 매어놓는 이유도 역시 그것이 달이 탈출하는 것보다 에너지가 훨씬 낮은 상태이기 때문입니다. 일단 자연은 에너지가 낮은 상태로 움직이는 경향을 가지고 있습니다. 그런데 '열'이라는 게 있어서 에너지만으로는 실제 현상을 설명할 수 없습니다. 여기서 엔트로피가 도입됩니다. 자유 에너지라고 해서 시스템이 방출할 수 있는 에너지(?) 비스무리한 개념이 있는데, 이 자유에너지는 '에너지 - (온도 * 엔트로피)' 로 정의되며, 실제 자연은 이 자유에너지가 낮아지는 방향으로 움직입니다. 두 상태가 에너지가 같다면, 시스템은 엔트로피가 높아지는 상태로 이동한다는 것이죠. 온도가 높아질수록 엔트로피는 더 많이 기여하게 되구요.

열은 온도가 다른 두 시스템이 있을때 그 사이에서 열기관을 통해서 에너지로 전환될 수 있습니다.

엔트로피 증가는 닫힌 시스템에서만 보장됩니다. 외부로부터 에너지가 유입되는 시스템 (ex. 지구)에서는 바로 적용할 수 없다는 뜻입니다.

--Albireo

{{|진화의 입장에서 하등생물/고등생물로 나누어 말하는 것에는 논란이 있겠지만, 일단 논외로 하겠습니다. 사람을 고등생물이라고 하고 효모나 박테리아를 하등생물이라고 생각하셨다면, 구조적으로 봤을 때 역엔트로피 현상으로 볼 수 있습니다. 그러나 그 시스템을 유지하기 위해서 소모되는 에너지의 수지를 보기 위해서 대상 생물과 주의환경을 포함시킨 계를 설정하고 보면, 결국 엔트로피가 증가하게 됩니다. 개미탑과 벌집도 그 개체군의 에너지 소비를 종합적으로 고려해서 계산하면 동일한 결과입니다. --ㅎnㅂrㄹrㄱi|}}

위 글을 모두 읽으면서 나름대로 생각나는 게 있어 적어봅니다.

1. 기름과 물이 분리되는 현상과 엔트로피에 대해서.
자연적으로 엔트로피는 증가하지만, 에너지가 꼭 감소하는 것은 아닙니다. 반면, 열역학 1법칙에 의하면 전체 에너지는 언제나 불변합니다. 만약 낮은 에너지의 계(A)와 높은 에너지의 계(B)가 접촉한다면 A의 에너지는 높아지고, B의 에너지는 낮아지게 됩니다.(확률적으로 A와 B가 서로 에너지 교환을 시작하면 A,B의 에너지가 동일한 확률이 어느 쪽으로 치우칠 확률보다 크기 때문...?) 여기서 두 가지 중요한 요소를 찾을 수 있습니다. "에너지"와 "접촉"(서로 상호 작용을 통해 에너지 교환이 가능함)입니다.

기름과 물의 경우에 적용을 시킨다면, 만약 기름과 물이 "서로 에너지 교환"이 가능할 때 그 둘의 에너지는 "평균적으로 분산"된다고 말할 수 있습니다. 그럼 기름과 물에 있어서 서로 교환 가능한 에너지는 무엇일까요? 만약 기름이 물 속에 있다면 부력을 받습니다.(위치에너지) 따라서 물 속의 기름들은 물 위의 기름들보다 높은 에너지를 갖고 있고, 물이 기름 속에 있어서 마찬가지 입니다. 따라서 이 경우 엔트로피 2법칙이 예측하는 것은, 그 중간 과정이 구체적으로 어떻게 되는지 모르고, 그 시간이 얼마나 걸릴지 모르지만,(에너지 교환이 얼마나 빠르냐에 따라 결정되겠지요) 결국은 에너지가 골고루 분산되는 상태로 도달하게 된다는 것입니다. 즉, 물과 기름이 분리된 상태로 된다는 것이지요. 즉 이들이 분리된 것처럼 보이지만, 에너지의 관점에서는 모두에게 동일한 에너지가 들어 있는 상태가 되는 겁니다.

위 링크를 보시면 몇몇 과학자들이 엔트로피는 계속 증가해서 결국 우주는 heat death에 이르리라고 체념했는데요, 엔트로피 법칙이 우주 전체에 적용이 된다해도 그 시간이 얼마나 걸리는지는 알 수 없습니다. 우리가 알고 있는 화학 반응 중에서도 아주 극렬한 화학 반응이 이루어지는 경우도 있지만, 몇 일이 걸리는 아주 느린 화학반응도 있으니깐요.

2. 엔트로피를 사회에 적용시킨다?
글쎄요. 물리법칙이란 근본적으로 관찰을 통해 얻어진 것입니다. 파이만이 말했듯, 물리 법칙이란 우리가 관찰했던 많은 현상들, 실험들을 압축시켜 놓은 것이라고 말할 수 있죠. 이 압축된 법칙으로 원래의 실험과 현상을 복원해내기 위해서는 용어, 적용 방법들을 명확히 할 필요가 있겠죠.

엔트로피 법칙이란 것도 많은 관찰과 실험을 통해 "생각해 낸" 법칙을 다른 경우에도 적용시켜서, 여러 방법을 통해 그것의 일관성을 유지할 수 있었기 때문에 아직까지 깨어지지 않은 법칙으로 있는 것입니다. 위 물과 기름에서도 알 수 있듯이 물과 기름의 비중이 같다면 당연히 섞여야 되겠지만, 비중이 다르기에 안 섞입니다. 엔트로피 법칙이 위치 에너지를 고려해야만 살아남을 수 있는 경우입니다.

따라서 일반적인 사회 법칙에도 엔트로피를 적용시키기 위해서는 단순한 비유의 수준이 아닌 좀 더 근원적이고 논리적인 유사성을 통해 조심스럽게 이루어져야 한다고 생각합니다.
-- 가리오

망고의 생각에 엔트로피 이론은 모든 것에 정확히 적용되고 있다. 하나 못해 삶과 생활에 대해서도..... 가만히 두면 엉망으로 살고 있는 자신을 보게된 적이 없는가? 보이지 않는 랩을 싸두지 않으면 흐트러져 버리는 자신을 본 적이 없는가? 어느새 어지러워진 방안을 보며 머리를 쥐어뜯은 경험이 없다면 아마도 당신은 자연상태의 인간이 아닐지도 모른다.... 고 생각한다. 자신에게 만족하기란 어려운 일이지만 그런 스스로를 볼때마다 자연계를 벗어나고픈 생각이 든다...(그럼 어디로???)

제레미 리프킨의 독특한 안목이 돋보이는 책. 저자는 물리학 용어인 엔트로피를 새로운 세계관으로 삼으려 한다. 마치 다윈의 진화론이 원래 개념이 만들어진 영역에 머물지 않은 것과 같이, 엔트로피를 다른 영역에 어울리게 해석하였다. 출간된지 상당히 오래되었지만, 지금 읽어도 재미있다. --june8th

june8th가 가지고 있는 책은 녹색 표지인데, 99년에 새로 찍어 냈다 보다. 삽화와 함께 사람들의 대화로 엔트로피에 대해 설명하는 내용이 앞부분에 있으며, 후반부로 갈수록 계몽적인 측면이 드러나게 된다.

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