엔트로피(entropy)에 대한 개념적인 이해

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엔트로피가 무엇인지에 대해서 알아보자.

많은 곳에서는 이를 '무질서도'라고 적어놓았는데...
이게 사실 맞는 표현이지만
이 개념을 처음 접하는 사람들에게는 쉽사리 와닿지 않는 표현이라고 생각한다.

엔트로피는 에너지 보존법칙(열역학 제 1법칙)이 자연현상을 설명하기에 부족해서 등장한 개념이다.

에너지 보존법칙을 보면,
마치 모든 에너지가 서로 바로바로 쉽게 전환될 수 있는 것처럼 표현이 되어있다.

하지만 우리는 마찰로 발생한 열에너지가 운동에너지나 위치에너지의 형태로 

자발적으로 전환될 수 없다는 것을 경험적으로 알고 있다. 

즉, 에너지의 자발적인 전환에는 방향성이 있는 것이고, 
이 방향성을 설명하기 위해서 엔트로피라는 개념과 열역학 제2법칙이 등장하는 것이다.

카르노 사이클에서 배우는 가역과정, 비가역과정이라는 개념이 이것과 관계가 있다.
여기서 '자유에너지(사용 가능한 에너지)'와 '사용불가능한 에너지'라는 개념이 등장한다.

즉, '에너지'라는 것을 사용가능한 에너지와 사용 불가능한 에너지의 합으로 이해하는 것이다.

더 자세히 설명하자면, 
사용 가능한 에너지는 실제로 일을 하는 데 사용될 수 있는 에너지이며
사용 불가능한 에너지는 존재는 하지만 실제로 일을 하는 데 사용될 수 없는 에너지를 말한다.

개념적으로, 엔트로피는 이 중에서는 전체 에너지 중에 사용불가능한 에너지를 뜻한다.

정확히는 에너지가 아니다.
단위가 에너지의 단위가 아닌 에너지를 온도로 나눈 J/K라는 점을 주목하자.

앞서 엔트로피는 방향성을 설명하기 등장했다고 설명하였다.
그렇다면, 엔트로피는 어떻게 방향성을 설명할까?

그것은 전체 시스템의 엔트로피의 변화량은 항상 증가하는 방향이라는 것이다.
(국소적으로는 엔트로피가 감소할수도 있다)

이 말은 세상의 사용 불가능한 에너지가 전체적으로 게속 증가하고 있다는 것이다.

이 엔트로피 증가의 법칙은 다분히 경험적인 원리이지만, 
많은 실험들과 경험에 의해 검증되었기에 하나의 중요한 법칙으로 받아드려지고 있다. 

좀 더 구체적으로 살펴보기 위해, 
원래 엔트로피라는 개념이 등장한 열역학을 살펴보자.

엔트로피를 정의하는 방법은 상황에 따라 다양한 방법이 있지만, 
열역학에서는 엔트로피를 아래와 같이 정의한다.

위 식은 이미 평형을 이룬 상태 (온도가 변하지 않는 상태에), 
δQ만큼의 열에너지를 공급했을 때  나타나는 엔트로피의 변화를 나타낸다.

여기서 dS는 엔트로피의 변화이며, T는 절대온도이다. 

여기서 중요한 것은 엔트로피의 변화량이 0보다 크다는 것이다. 

물론, 국소적으로는 엔트로피가 감소할 수 있지만 
전체적으로보면 엔트로피의 변화량은 항상 증가해야 한다는 것으로 
에너지 흐름의 방향성을 설명하는 것이다.