물리학에서는 각종 보존 법칙이 무척 중요하고, 또 유용하다. 외력이 작용하지 않는 고립된 물리계에서는 운동량∙각운동량∙에너지 등의 물리량이 보존된다. 하지만 이런 양들이 보존된다는 사실만으로는 설명하기 어려운 자연의 현상들이 무척 많이 있다. 대표적인 예가 열의 흐름이다. 컵에 얼음을 담고 따뜻한 물을 부어 한참을 내버려 두면, 컵 안에는 미지근한 물만 남는다. 하지만 미지근한 물을 아무리 내버려 두어도 따끈한 물과 얼음으로 갈라지지는 않는다. 어느 경우이든 운동량이나 에너지 보존이 깨어지지는 않지만, 왜 얼음이 녹아 미지근해지는 현상만 일어나는 것일까? 보존 법칙만으로는 충분히 설명할 수 없다.
엔트로피 : 물리계의 무질서한 정도 열과 관련된 물리현상을 이해하는 데에 필수적인 개념이 바로 ‘엔트로피(entropy)’다. 엔트로피를 정의하는 방법에는 여러 가지가 있으나, 가장 쉬운 방법은 어떤 계의 미시적 상태에 대한 통계역학적 접근법을 사용하는 것이다. 엔트로피는 흔히 물리계의 무질서한 정도를 나타낸다고 말한다. 매우 엄밀하게 개념을 정의해야 하는 과학에서 ‘무질서한 정도’라는 표현이 다소 애매하게 들릴 수 있다. 여기서 무질서한 정도는 일상적으로 쓰는 정성적인 표현과 같다고 이해해도 무방하다. |
정리가 잘 되어 있는 연필(왼쪽)과 어지러워진 연필(오른쪽). 엔트로피 증가 법칙에 따르면 왼쪽과 같이 잘 정리된 상태에서
흐트러진 오른쪽 상태로 변하는 것은 법칙에 따른 자연스러운 현상이다.
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