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엔트로피


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1. 개요2. 정의3. 변화4. 창작물
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1. 개요

The law that entropy always increases, holds, I think, the supreme position among the laws of Nature. If someone points out to you that your pet theory of the universe is in disagreement with Maxwell's equations — then so much the worse for Maxwell's equations. If it is found to be contradicted by observation — well, these experimentalists do bungle things sometimes. But if your theory is found to be against the second law of thermodynamics I can give you no hope; there is nothing for it but to collapse in deepest humiliation.

나는 엔트로피가 언제나 증가한다는 법칙은 자연의 법칙들 가운데서도 가장 근본적인 것이라고 생각한다. 만일 누군가 당신의 이론이 맥스웰 방정식과 일치하지 않는다고 지적한다면, 글쎄, 맥스웰 방정식에는 안좋은 소식인 것이다. 혹은 관찰 결과와 배치된다면, 실험가들이 일을 잘못한 것이겠지. 하지만 만일 당신의 이론이 열역학 제2법칙을 위배한다면, 어떤 희망도 있을 수 없다. 철저한 굴욕 속에 무너지는 일만 남았을 뿐이다.
아서 스탠리 에딩턴
[math(S=k_\text{B} \ln \Omega)]

엔트로피(Entropy)는 물체의 열적 상태를 나타내는 물리량의 하나이다. 흔히 일반인들에게 무질서도(無秩序度)라고 알려져 있기도 하다.[1] 통계역학으로 엔트로피가 미시상태의 수에 대응된다는 것이 밝혀졌다. 엔트로피에 대해 기술한 것이 열역학 제2법칙이며, 자연현상의 물질의 상태 또는 에너지 변화의 방향을 설명해준다.

'엔트로피'라는 이름은 클라우지우스-클라페이론 식으로 유명한 루돌프 클라우지우스라는 독일의 물리학자가 1865년에 붙인 것인데, '에너지'라는 말의 어원인 그리스어 ἐνέργεια(에네르게이아)에서 전치사 ἐν-(엔-)을 남기고, '일, 움직임'이라는 의미의 어간 ἔργον(에르곤) 부분을 '전환'이라는 의미의 τροπή(트로페)로 바꾸어 조합해 만든 말이다.[2]

2009년 개정 고등학교 과학 교육 과정에서는 주로 화학Ⅱ에서 이를 자세히 다루었지만, 난이도 문제로 2015 개정 교육과정 화학Ⅱ에서는 엔트로피 자체가 삭제되었다 2022 개정 교육과정에서는 물질과 에너지로 복귀하였다. (2015 개정 교육과정 기준으로 물리학Ⅰ의 열역학 파트에서 정성적인 수준으로만 배운다.)

2. 정의

1. 열의 이동과 더불어 유효하게 이용할 수 있는 에너지의 감소 정도나 무효 에너지의 증가 정도를 나타내는 양.
2. 정보를 내보내는 근원의 불확실도를 나타내는 양.
3. 정보량의 기대치를 이르는 말.
표준국어대사전

엔트로피는 '무질서'의 척도로 흔히 이해되는데, 무질서는 굉장히 다양한 뜻을 담고 있으며 엔트로피 이해에 모호함을 가져다 줄 수 있기 때문에 21세기에 발행되는 책에서는 그와 같은 표현을 지양한다. 엔트로피의 증가에 대한 해석은 균질화의 과정이나 평형으로의 이동을 사용하여 해석하는 것이 더 정확하다. 기존처럼 무질서도로 엔트로피를 이해해도 완전히 틀린 것은 아닌데, 이는 무질서도와 균질도가 어느 정도 대응되기 때문이다. 인간 본위의 관점을 떨치고 보았을 때, 전 우주에서 부분 부분으로 뭉쳐있는 에너지가 전체에 걸쳐 평평하게 흩어져가는 과정이 엔트로피의 증가 과정이다. 즉, 엔트로피의 증가는 평형 상태로의 이동이며 에너지적으로 볼 때는 안정화되는 방향이다.

조금 더 파고들면 꼭 균등한 상태, 무질서한 상태라기 보다는 가장 가능성이 높은 상태가 엔트로피의 본질이다. 예를 들어, 우유와 커피를 같은 컵에 두고 기다리면 컵 안에 있는 모든 입자가 취할 수 있는 상태 중 '균등한 커피 우유'라 부를 수 있는 상태의 수가 압도적으로 많다. 반면 우유 분자들이 컵 한 구석에 뭉쳐있는 경우는 비교도 할 수 없을 정도로 극소수의 상태만을 가리킨다. 따라서 전자를 엔트로피가 높은 상태, 후자를 엔트로피가 낮은 상태라 칭한다. 이론적으로는 닫힌 계에서도 엔트로피가 저절로 감소할 수는 있으나, 워낙 가능성이 낮기 때문에 관찰되지 않는다[3]. 일상생활에서는 균등하고 무질서한 상태가 보통 가능성이 제일 높은 상태이기 때문에 엔트로피를 설명할 때 자주 쓰일 뿐이다[4].

또 다른 예시로 플레잉 카드를 들 수 있다. 우리가 트럼프 카드를 처음 샀을 때는 52장의 카드가 순서대로 질서있게 정돈돼 있지만, 이 카드 덱을 들고 있는 손의 힘을 풀면 카드는 바닥으로 떨어지며 흩뿌려진다. 이렇게 되면 정돈이 되지 않은 무질서한 (가장 가능성이 높은, 특별히 의미가 없는) 상태가 되어 버린다. 하지만 이 카드 덱을 다시 질서 있는 상태로 만들기 위해서는 힘을 들여서 순서대로 정렬해야 하므로[5] 결국 카드 덱 자체의 엔트로피는 감소했지만 오히려 우리의 엔트로피는 증가하게 된다. 즉 열린계에서는 외부로부터의 에너지 투입을 통해서 엔트로피를 감소시킬 수 있지만, (생물의 경우에는 무조건 엔트로피가 감소한다고 보기는 어렵다) 이 경우에도 시스템의 경계를 확장해서 고립계로 보면 엔트로피는 계속 증가한다는 것이다. 열린계에서도 전체적으로 보면 엔트로피는 계속 증가하고 있고, 우리가 사는 우주도 마찬가지로 고립계라서 엔트로피가 절대적으로 증가하고 있다.

이런 성질 때문에 엔트로피는 계의 유용하게 쓸 수 있는 에너지에 연관이 있다. 이러한 개념을 확장하여 Exergy자유 에너지라는 개념도 있는데, 이는 이론상 뽑아 쓸 수 있는 에너지의 최대치를 나타낸다. Exergy나 자유 에너지는 엔트로피와 반대로 감소하는 방향으로 움직이는데, Exergy의 감소량은 (엔트로피의 증가량)×(평형상태의 절대온도)로 나타나며, 절대영도를 기준으로 측정되는 엔트로피와 달리 평형상태의 온도를 기준으로 나타나므로 평형상태로부터 멀리 떨어져 있을수록 Exergy가 증가한다. 즉, 상온에 놓인 뜨거운 커피나 얼음의 경우 식어버린 커피와 달리 상대적으로 평형상태(상온)와 차이가 많이 나므로 Exergy가 높다. 이를 수식적으로 표현한 것은 깁스 자유 에너지와 헬름홀츠 자유 에너지가 있다. 반응계(반응에 참여하는 물질)의 엔트로피 변화량과 외부(반응에 참여하는 물질 이외의 물질)의 엔트로피 변화량을 더하면 우주의 엔트로피 변화량이 되니 이것이 음이 되어야 자발적 변화일 것이라는 생각에서 나온 것이다. 헬름홀츠 자유 에너지의 경우 [math(\Delta A = \Delta E - T \Delta S)]가 된다. 깁스 자유 에너지의 경우 계 내의 엔트로피 변화량을 엔탈피로 설명했을 때 나오는 수식으로 [math(\Delta G = \Delta H - T \Delta S)]라는 수식으로 나타난다. 자유에너지가 자발성의 척도가 될 수 있는 것은 특정 조건 하에서다.(깁스 자유 에너지는 정압, 헬름홀츠 자유 에너지는 정적) 에너지량은 고전적으로는 절대값이 아닌 미분값이 의미가 있는데, 온도가 같다면 엔트로피의 증가량이 클수록 자유에너지의 감소량이 크게 된다. 엔트로피의 생성량이 0인 경우는 상태 변화 시 유용하게 쓸 수 있는 에너지, 즉 자유 에너지가 보존되는 것이다.

엔트로피는 열역학 제2법칙과 함께 정의되었는데, 열역학 제2법칙이란 항상 전체 계의 엔트로피가 증가하는 방향으로 변화가 일어난다는 법칙이다. 정확히는 엔트로피의 증가량은 항상 0보다 크거나 같다. 즉, 우주 전체의 엔트로피는 일정하게 유지되거나 증가하며 감소하는 변화 현상은 일어날 수 없다. 이것은 하나의 법칙으로서 이 법칙을 어긴다는 것은 그것(이론이든 실험이든)이 아예 잘못되었음을 뜻한다. 더 정확히 하자면, 하나의 고립계 내에서의 전체 엔트로피가 유지되거나 증가한다는 말이다. 기존의 설명과 얼핏 같은 이야기로 보이지만, 우주가 고립계가 아니라면 이야기가 달라진다. 다시 말해 우주가 고립계가 아니라면, 우주의 엔트로피는 감소할 수 있다는 이야기다. 영구기관의 오류를 증명할 때도 열역학 제2법칙이 쓰인다.

엔트로피를 정의할 때 두 가지로 정의 한다. 열역학적인 정의는 루돌프 클라우지우스에 의한 것으로 [math(\text{d}S=\dfrac{\delta{Q}_{\text{rev}}}{T})]이고, 통계역학적인 정의는 루트비히 볼츠만에 의해 이루어졌으며 [math(S=k_{\text{B}} \ln \Omega)]이며 kB볼츠만 상수, [math(\Omega)]는 이 계가 가질 수 있는 상태의 수를 의미한다. 즉, 엔트로피는 확률론과 통계학에서 말하는 경우의 수 개념이다. 무질서도라고 말하는 것도 무질서할수록 경우의 수가 많아지기 때문이다. (같은 수의 사람들을 한 줄로 세울 때와 넓은 공간에 자유롭게 서게 했을 때 어느 쪽이 경우의 수가 많고 어느 쪽이 무질서해보일지 생각해보자) 뒤의 [math({d}S_{\text{irr}})]는 고전 열역학 한정 비가역적 반응일 때의 엔트로피 변화를 의미한다. 통계역학으로 발전하면 [math(\text{d}S=\dfrac{\delta{Q}}{T})] 식은 엔트로피가 아닌 '온도'의 정의가 된다! 가역과정에 대한 엔트로피 변화의 정의로 비가역과정에 대한 엔트로피를 이해하기란 쉽지 않다. 기계열역학만을 배우는 경우엔 비가역과정 엔트로피에 대해 언급되지 않는 경우가 잦은데 이는 후술할 통계역학적 정의를 설명하기엔 애매하기 때문인 듯하다. 엔트로피에 대한 이해라는 나름 명쾌한 포스트가 있으니 엔트로피에 대해 막힐 때 참고하자. kB = 1.380649×10-23 J K-1 이다.

1번 입자는 위치 어디에 속도 얼마, 2번 입자는 위치 어디에 속도 얼마얼마, 이런 식으로 가능한 모든 조합을 다 쓰면 된다. 여기서 양자역학이 힘을 발휘하는데, 불확정성 원리에 따라 위치와 속도(운동량)가 연속된 실수값을 모두 갖는 게 아니라 위상공간에서 플랑크 상수값 크기의 기본 부피 단위를 갖기 때문에 상태를 한 개 두 개 셀 수 있다. 다만 이 공식 자체는 고전역학 때 나왔다. 단위는 J K-1이다. 엔트로피 값은 절대영도의 순수 결정 상태에서 0이며, 정적비열과 온도 변화를 알면 적분을 통해 엔트로피 값의 변화를 알 수 있기 때문에, 대학교 열역학 교재를 보면 부록으로 각 물질의 온도에 대한 엔트로피 값이 절대영도부터 수천 K까지 적혀있다. 즉 순수 결정이 아니라면 엔트로피는 0보다 크다. 엔트로피가 0이라는 것은 그 상황에서 그 상태 외에 물질의 다른 상태가 있을 수 없다는 것인데, 순수 결정 상태가 아닌 경우에는 다른 상태가 존재할 수 있다. 통계역학으로 정의된 현대의 엔트로피는 꼭 물질에만 있는 것이 아니고, 수학적으로 추상화된 계에서도 정의 가능하다. 예를 들어, ★★☆★과 같은 혼합물의 경우 이 외에도 ★☆★★, ☆★★★, ★★★☆로 총 4가지 경우의 배열이 존재할 수 있고, 따라서 엔트로피는 [math(S=k_{\text{B}} \ln 4)]이다. 하지만 한 가지 물질로 이루어진 ★★★★의 경우 이 외에 다른 상태가 나올 수 없으므로 엔트로피는 [math(S=k_{\text{B}} \ln 1 =0)]이다. 만약 이것이 현실의 입자라면 당연히 절대영도가 아닌 이상 운동에너지가 있으므로 엔트로피가 0이 나오지는 않겠지만.

3. 변화

엔트로피는 물질과 에너지의 상태 변화가 있을 때 항상 일정하거나 증가한다. 엔트로피가 일정한 경우는 물질의 상태 변화가 완전 가역적으로 일어날 경우이다. 그러나 자연 상태에서는 일반적으로 완전 가역적으로 상태 변화가 일어나기 힘들기 때문에 엔트로피가 일정한 변화를 이상적인 상태의 기준으로 삼고 비이상적 상황(실제 상황)을 계산한다. 앞서 언급했듯이 엔트로피는 유용한 에너지가 줄어드는 정도이기 때문에 에너지 전환 과정에서 효율이 100%가 될 수 없는 이유이기도하다. 즉, 엔트로피가 일정한 이상적인 상황을 등엔트로피 공정이라하며 그 때가 이론적으로 최대의 에너지 효율을 가져올 수 있는 공정인 것이다.[6]

한편 계의 설정에 따라 계의 엔트로피가 감소할 수도 있다. 그러나 이때도 전체 계로 보면 전체의 엔트로피는 항상 같거나 증가한다. 닫힌계 내의 엔트로피 감소를 쉽게 이해할 수 있는 예로 냉장고가 있다. 냉장고를 한 계로 잡았을 때 냉장고 안에서는 온도가 떨어져 엔트로피 값이 감소한다. 부피가 일정할 경우[7] 계의 온도가 감소하면 엔트로피도 감소하기 때문이다. 그러나 집 전체를 보면 엔트로피는 증가한다. 냉장고는 전기를 소모해서 내부의 열을 밖으로 빼내는 것에 불과하기에, 내부에서 이동한 열 + 냉장고가 가동하면서 방출한 열로 인해 방 전체의 온도는 증가한다. 에어컨도 마찬가지로 에어컨을 가동해 방 안을 냉방하면 방 안의 엔트로피는 감소하지만 뜨거운 열기가 실외기를 통해 바깥으로 나가기 때문에 당연히 방 외부와 전체 엔트로피는 증가한다. 사실 '계'라는 것은 결국 설정하기 나름이기 때문에 고립계가 아닌 '계' 안에서의 엔트로피 감소는 물리학적으로 아무 의미가 없는 현상이다.

이해가 좀 힘든 사람들을 위한 경희대 김상욱 교수[8]의 오디오 강의 Part1 Part2

생물은 생체 반응을 통해 엔트로피를 국소적으로 감소시킬 수 있다. 예를 들어 식물이산화 탄소을 조합하여 고분자 탄소화합물을 생성하는 반응의 경우 분자의 개수가 줄어들고 저분자화합물을 고분자화합물로 만든다. 또한 여러 생물체들은 체내에서 아미노산들을 합성하여 고분자화합물인 단백질을 합성하기도 한다. 하지만 이 반응들은 반응을 일으키기 위해 많은 에너지를 필요로 한다. 예를 들어 식물이 이산화 탄소와 물을 탄수화물로 만드는 데에 필요한 빛 에너지의 양은 탄수화물을 만들면서 저장한 에너지의 양보다 훨씬 많다. 때문에 이 과정에서 쓰고 남은 빛 에너지는 열 에너지의 형태로 다시 방출되게 된다. 즉, 계의 에너지 변환 효율이 100% 이상이 아닌 한 (system)의 엔트로피가 줄어들어도 그때마다 주변 환경(environment)의 엔트로피가 그보다 많이 증가하여 결국 전체 우주의 엔트로피는 무조건 증가하게 되는 것이다.

블랙홀 정보 역설에서 정보가 삭제되는 게 가능하다면 엔트로피가 감소할 수 있다는 주장이 있다. 블랙홀에 엔트로피가 높은 물질이 들어간 뒤, 호킹 복사를 통해 그 물질의 정보가 삭제된다면 그 물질이 가질 수 있는 상태 자체가 삭제되기에 엔트로피도 감소하게 되며, 그 엔트로피가 다른 곳으로 이동한 것이 아니기에 전체 우주의 엔트로피가 감소하게 된다. 다만 정보의 소실 역시 엔트로피의 증가를 유발하는데 엔트로피 자체가 정보가 숨겨진 것과 같기 때문에 발생하는 것이다. 정보의 소실은 존재하던 정보가 숨겨지는 것을 의미하며, 이것 자체가 엔트로피의 증가. 즉 열에너지를 발생시킨다. 소실되는 정보량과 해당 환경의 절대온도에 비례하는 열에너지가 발생하는데, 블랙홀의 사건의 지평선에서 '1 플랑크 길이만큼 떨어진' 외측늘려진 지평선(Stretched Horizon)이라는 초고온의 영역이라 추정되기에(호킹 복사에서 발생하는 열량 자체는 블랙홀의 질량에 의해 결정되는데, 이런 열량은 블랙홀의 중력장을 벗어나면서 상대론적 도플러 효과. 정확히는 중력 적색 편이에 의해 에너지를 잃고 저온으로 낮아진 상태라고 예측된다. 그렇기 때문에 블랙홀의 사건의 지평선 바로 위 지역에서는 중력 적색 편이를 고려하면 역으로 초고온의 영역이라 예측되는 것.), 정보가 소실될 것이라 예측되는 이 지점에서 발생하는 열량은 실제로는 막대할 것으로 추정된다. 또한 사실 이 초고온의 지점에 정보가 저장되어 있으며 호킹 복사로 나오는 입자가 저장된 정보를 얻기 때문에 실제로는 정보가 삭제되지 않는다는 주장도 있다.

4. 창작물

각종 창작물에서 엔트로피 개념을 자주 다루기도 하는데, 엔트로피가 현재 물리 법칙에 따르면 가장 확실하고 불가항력적인 우주의 종말이기 때문이다. 대부분의 경우 작중의 특별한 설정으로(주로 초자연적인 수단으로) 해결책을 찾는 경우가 많다. 드물게 인간 기술력으로 해결하기도 한다.

[1] 사실 한국어로 번역이 어려운 단어 중 하나다. 그래서 과거에는 무질서도라는 번역도 쓰기는 했지만 현재는 대부분 아예 번역을 포기하고 엔트로피라는 말을 그냥 사용한다.[2] 엔탈피도 비슷한 조어 방식으로 만들어진 말이다.[3] 커피 우유 한컵이 저절로, 우연히 커피와 우유로 분리되려면 우주가 망할 때까지 기다려도 택도 없을 것이다[4] 빅뱅 직후에는 물질과 에너지가 상당히 균등하고 무질서한 상태였는데도 엔트로피가 매우 낮았는데, 이는 중력 때문이다. 만유인력이라는 것이 있는데 온 우주의 물질이 균등하게 분포한다는 것은 상상을 아득히 초월할 정도로 가능성이 없는 시나리오다. 가만 생각해보면 대체 왜 우주는 이렇게 가능성이 한없이 낮은 상태로 탄생했는지 의문을 품어볼 수도 있다.[5] 즉, 외부에서 에너지를 투입해야 하므로.[6] 단, 등엔트로피 공정이라해도 순환 공정의 열기관에서 열효율 100%를 달성할 수 없다. 등엔트로피 공정이 이론적인 최댓값(카르노 효율)이며 실제로는 그보다도 훨씬 더 낮은 효율로 에너지 전환이 이루어진다.[7] 압력이 일정하다면 부피가 줄어들어 엔트로피가 더 크게 감소한다.[8] 알쓸신잡3에 출연했던 물리학 박사이다.[스포일러] 에덴이 멸망하게 된, 즈가조차도 막을 수 없었던 섭리 역시 엔트로피였다. 즈가나 관측자도 감소시킬 수 없는 데이터들이 계속해서 기록되며, 언젠가는 즈가 또는 관측가가 관측할 수 있는 데이터의 양을 넘어서며 데이터들의 충돌로 인한 시스템 셧다운, 곧 피할 수 없는 종말이 바로 섭리인 것. 그리고 작중 컷(썸네일)마다 아래에 적혀 있는 숫자(회차)는 곧 그 시점의 엔트로피의 총합을 나타낸 숫자였다.