가역과정 비가역과정 엔트로피에 대해 궁금합니다

Question

요즘 테넷이라는 영화보고 엔트로피에 대해 공부중입니다. 가역 과정에서 우주의 엔트로피는 0이라는 데, 이유가 뭔가요?

비가역 과정에서 우주의 엔트로피는 항상 0보다 큰가요? 궁금합니다.

Answer 1

엔트로피란 에너지 흐름을 설명할 때 쓰는 개념입니다.

자연계는 점점 무질서해진다는 개념을 설명할 때 쓰입니다.

예를 들어 순수한 물에 잉크를 한 방울 떨어트리면

처음에는 잉크가 뭉쳐있겠지만 서서히 모든 물에 잉크 분자가 퍼지게 됩니다.

이것을 엔트로피가 시간에 따라 증가한다고 표현합니다.

하지만 가역과정은 에너지가 없어도 원래대로 돌아갈 수 있는 과정입니다.

예를 들어 진자의 운동이 가역과정이 될 수 있습니다.

우주가 어떠한 에너지도 필요없이 원래대로 돌아갈 수 있다면 엔트로피는 0이 됩니다.

하지만 실제로 그렇지 않으므로 우주는 대부분 비가역과정이고, 엔트로피도 0보다 크게 됩니다.

Answer 2

안녕하세요. 송종민 과학전문가입니다.

(1) 비-가역변화(irreversible change) - 엔트로피 변화의 총합이 증가

물체에 어떤 변화를 가한 다음, 그 상태를 다시 변화 전의 원래의 상태로 복귀시키는 경우, 이때 물체 자신이 다시 원래의 상태로 복귀하면서 다른 어떤 변화를 주위에 남길 경우를 비-가역변화라 한다.(가능한 모든 방법을 사용해도)

예를 들면 고온물체와 저온물체를 서로 접촉시키면 언젠가는 서로 온도가 같아지게 된다. 그러나 이들을 다시 원래의 온도로 복귀시키고자 할 경우, 고온물체는 가열해야 하고, 저온물체는 냉각시켜야 한다. 가열 또는 냉각시키기 위해서는 별도의 장치를 필요로 하며, 또 주위의 대기 등에 어떤 변화를 남기게 된다.

또 기관의 크랭크축이 회전할 때, 크랭크축 저널과 메인베어링 사이에는 마찰운동이 발생된다. 이때 마찰에 의하여 손실된 열(또는 일)은 다시 되돌아오지 않고 대기 중에 방출되어, 주위 대기에 변화를 남기게 된다. → 비-가역변화.

자연계에서 자연적으로 발생하는 모든 변화는 비-가역변화라고 할 수 있다.

(2) 가역변화(reversible change) - 엔트로피 변화의 총합이 0(zero)인 변화

비-가역적인 변화가 아닌 변화 즉, 어떤 변화에서 하나의 시스템이 열역학적 상태 S1로부터 시작해서 상태 S2에 도달케 한 다음, 다시 상태 S1로 복귀시키는 경우에, 사용할지도 모르는 다른 물체도 사용 전의 역학적 상태로 복귀시킬 수 있을 때, S1에서 S2로의 변화를 가역변화라고 한다.

예를 들면 마찰이 없는 진공 속에서 운동하는 진자는 운동에너지와 위치에너지가 상호 전환하여 주기적으로 원상태로 복귀한다. 이와 같은 변화 즉, 하나의 역학적 상태에서 다른 역학적 상태로의 변화를 반복할 수 있는 경우를 가역변화라 한다.

그러나 실제로는 마찰이나 변형이 발생하여 물체의 내부에너지를 증가시키고, 이로 인하여 그 주위 물체의 열역학적 상태를 변화시키므로 비-가역변화가 된다.