온도에 따른 물 분자 형태에 대해

Question

열역학 제2법칙에 엔트로피 증가에 나오는 실험? 예시 는 에너지는 뜨거운 물에서 차가운 물로 흐르고 섞이게 되는데 다시 둘이 분리가 되는 것은 불가능 하다고 하는 이 부분에서 뜨거운 물에서 차가운 물로 온도를 전달하는 것이 아닌 차가운 물과 뜨거운 물에 서로 온도를 교환 할 수도 있는 거 아닌가요?

Answer 1

안녕하세요. 이상현 과학전문가입니다.

차가운 몰이 뜨거운 물의 열을 받는것입니다.
차가운 물에 있는 열 에너지가 상대적으로 낮기 때문에
뜨거운 물로 줄 수 있는 열에 에너지는 없습니다.

따라서, 교환이 아닌 전달입니다.

감사합니다.

Answer 2

차가운 물이 더 차가워지고, 뜨거운 물이 더 뜨거워진다는 말씀이실까요?

이것이 불가능한 이유가 열역학 제 2법칙 입니다.

차가운 물이 더 차가워지는 경우는 무질서한 정도가 낮아지는 상황입니다.

Answer 3

안녕하세요. 김도건 과학전문가입니다.

먼저 질문자님의 온도를 교환한다라는 뜻을 정확히 이해하지 못해 엔트로피의 개념에 대해 설명 후 온도 교환에 대해 말씀 드리겠습니다.

엔트로피는 우리가 생각하는 모든 과정은 엔트로피가 증가한 결과입니다. 흔히 이러한 개념을 물 속에 떨어뜨린 잉크에 빗대서 많이 설명합니다. 물에 잉크를 떨어뜨리면 잉크는 ‘가만히 두어도 알아서’ 번져 나가요. 이때 ‘가만히 두어도 알아서’라는 것은 외력이 작용하지 않는 자연적인 상태를 말합니다.

이때 잉크가 번져 나가는 것은 잉크가 번지지 않고 가만히 있을 때보다 물과 섞였을 때의 엔트로피가 높기 때문입니다. 물과 섞인 잉크가 가만히 두었을 때 다시 한 방울의 순수한 잉크로 분리되는 일은 결코 일어날 수 없습니다. 이것은 엔트로피가 감소하는 방향이기 때문이죠. 열의 흐름도 마찬가지입니다. 70℃의 물에 같은 양의 30℃의 물을 넣는다고 생각해봅시다. 우리는 이후에 어떻게 될지 잘 알고 있습니다. 외부와의 에너지 출입이 없다면 결국 두 물은 평균 온도인 50℃가 될 거에요. 뜨거운 물은 식고 차가운 물은 데워질 것이라는 것을 알고 있습니다.

이것은 바로 엔트로피가 증가하기 때문인데요. 70℃의 물이 100℃가 되고 30℃의 물이 0℃가 되는 상황은 자연적으로 결코 일어나지 않습니다. 비록 이러한 과정이 에너지 보존의 법칙을 만족시키더라도 말이죠.

자연적이지 않은 방향은 엔트로피가 감소하기 때문입니다. 결국 강제적으로 다른 에너지가 투입되어야만 30℃의 물을 0℃로 만들면서 뺏은 에너지로 70℃의 물을 100℃로 만들 수 있답니다. 물과 섞여버린 잉크도 결국 순수한 잉크로 돌아오기 위해선 분리 과정에서 에너지가 투입되어야 하는 것이죠.

자연적인 과정을 통해서 사용되는 에너지는 엔트로피가 높아지는 방향으로 움직이고 혹여 강제적으로 낮추는 과정에서도 역시 에너지를 소모하기 때문에 우리가 사용할 수 있는 에너지는 한정될 수 밖에 없습니다. (이것을 되돌릴 수 없다는 뜻에서 비가역적이라고 합니다.)

Answer 4

안녕하세요. 이영훈 과학전문가입니다.

에너지는 뜨거운 물에서 차가운 물로 흐르면서 서로의 에너지 레벨이 동등해집니다.

다시 분리가 되는 것은 열역학 제2법칙을 거스르는 것이기 때문에 불가능합니다.

차가운 물과 뜨거운 물에 서로 온도를 교환한다는 말씀이 무슨 뜻인지는 명확하지 않으나 굳센풍뎅이 님의 질문 의도를 봤을 때 차가운 물에서 뜨거운 물로 에너지가 이동하거나,

이미 동등해진 에너지 레벨이 다시 차이가 나도록 양쪽으로 에너지가 이동하는 것은 불가능합니다.

Answer 5

안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.

뜨거운 물은 마치 운동장에서 뛰어다니는 아이들의 상태와 같고, 차가운 물은 운동장에 가만히 서있는 아이들의 상태라고 생각할 수 있습니다. 이들이 부딪히기 위해서는 뛰어다니는 아이들이 가만히 서있는 아이들에게 충돌하는 방법이 있습니다. 뜨거운물에서 찬물로 온도 교환이 일어나는 원리죠. 반대로 일어나진 않습니다. 이러한 것을 비가역 현상이라합니다. 질문자님께서 원하시는건 가역 현상을 원하시는거 같은데, 가역현상이 일어나기위해선 외부와의 마찰이 없어 열손실이 없는 상황을 가정해야합니다. 이상적인 상황에서는 진자운동이 있습니다. 공기 저항을 무시하고 진자운동을 한다면 이 물체는 영원히 진동합니다.