Intro
안녕하세요, 제하공제입니다.
지난 시간내용을 정리하면, '에너지가 보존된다'는 열역학 1법칙에 더해, 열역학 2법칙은 에너지가 어떤 방향으로 자연스럽게 흘러갈 것인지 방향성에 대해 알려주는 법칙임을 알게 되었습니다. 자연스럽다는 뜻은 외력 없이, 에너지가 가지는 특성으로 인해 특정한 방향으로 이동한다는 것입니다.
이를 설명하기 위해 온도와 같이 특정 물리량을 나타내기 위한 새로운 열역학 물성값인 엔트로피(S)를 정의하였습니다.
에너지의 총합이 보존되더라도 사용가능한 에너지는 감소하는 방향으로 진행됨
= 엔트로피는 증가하는 방향으로 이동
= 고립된 계에서 엔트로피는 감소하지 않는다.
실 생활 속 엔트로피의 이해 01
온도라는 물성값 역시 우리가 차갑게 느끼면 온도가 낮고 뜨겁게 느낄 때 온도가 높다고 경험적으로 체득하였듯이, 엔트로피(S)라는 것 역시 우리의 실 생활 속에서 느낄 수 있는 부분들이 많습니다.
1. 주방에서 어머니가 해주시는 맛있는 저녁 반찬의 냄새가 자연스럽게 우리들 방까지 전달되고
2. 물 위에 떨어진 잉크는 자연스럽게 물 전체로 퍼져 섞이게 되며,
3. 뜨거운 물과 차가운 물을 섞었을 때 자연스럽게 열이 이동하여 미지근한 물이 됩니다.
여기서 '자연스럽게'라는 뜻을 다시 한번 이야기해 보면 '외력이 없이' = '가만히 두어도 스스로 알아서' 에너지가 이동하는 것을 말합니다. 다시 말해 자연스러운 에너지의 이동 후 평형을 이루는 상태에서의 엔트로피(S)가 더 높기 때문입니다.
반대로, 엔트로피가 감소하는 방향으로 방에 있던 찌개 냄새를 다시 모아 주방으로 가져가거나, 이미 섞인 잉크를 물에서 분리할 수 있는 방법은 외력이 주어지지 않는다면 불가능합니다.
위 3. 에서 언급한 미지근한 물은 열의 흐름을 통해 발생된 것으로, 외부의 열에너지 공급이 없다면, 결국 두 물의 온도는 평균값으로 수렴하면서, 차가운 물은 데워지고 뜨거운 물은 식게 될 것입니다. 엔트로피가 증가하는 이러한 과정은 자연스럽게 발생합니다.
따라서, 차가운 물이 더 차가워지고, 뜨거운 물이 더 뜨거워지는 과정이, 서로의 열을 이동시켜 에너지 총합의 관점에서 보존된다 하더라고, 열역학 2법칙에 따라, 일어날 수 없는 일이 되는 것입니다.
카르노사이클은 실제로 불가능하다
다시 말해, 에너지를 무한정 사용할 수 있는 공정은 없습니다.
자연적인 과정을 통해 전달되는 에너지는 엔트로피가 증가하는 방향으로만 움직이게 되며, 외력을 사용하여 역방향의 공정을 만들더라도 결국에는 에너지를 소모하기 때문에 에너지는 항시 소모되고 한정된다고 볼 수 있습니다.
완벽한 순환공정을 만들어 에너지를 100% 회수할 수 없다는 것은, 열역학 2법칙을 통해 나타내면 다음과 같습니다.
= 비가역과정(Irreversible Process)
= 무질서한 상태
= 자발적인 열 평형 상태로의 이동
= 엔트로피(S) 증가
= 닫힌계의 열역학 과정에서 엔트로피(S)는 감소하지 않는다.
엔트로피의 수학적 정의
시스템 내의 물질계가 어떤 절대온도에서 단위 온도 당 가진 열에너지 양
즉, 엔트로피는 공급되는 열량(Q)에 비례하고, 온도(T)에 반비례합니다.
다시 말해, 뜨거운 주전자의 온도는 낮아지는 방향이 엔트로피(S)가 커지는 자발적 반응이란 것을 알 수 있습니다.
결론
시스템 내의 물질계가 어떤 절대 온도에서 단위 온도 당 가진 열에너지 양을 수학적으로 나타낸다면 그것이 위에서 정의한 엔트로피(S)가 된다.
이러한 전체 엔트로피 변화는 실제 비가역 공정에서 항상 0보다 큰 값을 갖는 방향으로 에너지가 이동한다
다음시간에는 엔트로피(S)와 관련하여 예제 문제를 간단히 풀어보고 넘어가도록 하겠습니다.
오랜 경력을 쌓으신 공정설계 엔지니어분들도 계실 것이고, 학부/대학원생까지 모두 많은 내용을 공부하고 경험하셨겠지만, 기초부터 차근차근 정리해서 기본을 돌아볼 수 있는 공간을 만들어 갈 수 있도록 꾸준히 연재해 나가보려고 합니다.
처음 미숙한 부분들이 많겠지만, 많은 응원과 관심 부탁드립니다.
감사합니다.
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