문과생을 위한 과학 이야기 - 열역학 법칙 (2)

 열역학 제 2법칙은 세상의 무질서함에 대한 법칙이다. 

<우주 전체 엔트로피는 모든 자발적 과정에서 증가한다.>

 잠시만, 일단 엔트로피가 뭔지부터 알아야겠다. 엔트로피는 온도나 질량처럼 어떤 물체가 가지고 있는 성질이다. 온도가 물체가 얼마나 뜨거운지를 나타내고 밀도가 질량이 얼마나 무거운지를 나타내주는 척도라면, 엔트로피는 무질서해질수록 값이 증가하는, 물체가 얼마나 무질서한지를 나타내 주는 척도이다. 예를 들면, 간밤에 친구가 술을 사들고 자취방에 왔을 때, 전날 밤 자취방의 엔트로피가 다음날 아침 자취방의 엔트로피보다 낮다. 이제 엔트로피가 뭔지는 알았으니까 ‘자발적 반응’이 뭔지 알아야겠지? 이건 쉽다. 가만히 냅둬도 일어나면 자발적 반응, 내가 뭔가를 해줘야 일어나는 (혹은 아예 일어나지 않는) 반응은 비자발적 반응이다. 이제 열역학 제2법칙을 풀어서 생각하면, <자발적으로 일어나는 모든 반응은 우주가 무질서하게 바뀌는 방향으로 일어난다.> 

ps. 엔트로피에 대하여

과학자들은 열역학 제 2법칙을 이용하여 아직 실험해 보지 않은 반응이 자발적으로 일어날지 비자발적으로 일어날지 추측할 수 있다. 어떤 반응은 반응식만 보고도 이 반응이 엔트로피가 증가하는 반응인지 감소하는 반응인지 대충 예측할 수 있기 때문이다! 몇 가지의 에시는 재미로 알아보고 넘어가자.

1. 기체 분자의 개수가 증가하는 반응

2. 기체에서 액체로, 액체에서 기체로 변하는 반응

3. 두 기체가 서로 섞이는 반응

열역학 제 3법칙은 엔트로피의 값의 정의에 대한 법칙이다.

<완전결정의 엔트로피는 절대 0도에서 0이다.>

 결정은 영어로 crystal. 어떤 원자들이 모여서 일정한 모양을 만들 때 그걸 결정이라고 한다. 굵은 소금이나 다이아몬드, 석영 같은 게 대표적이다. 이런 결정들은 보통 오랜 시간 동안 표면에 원자들이 한 개씩 한 개씩 붙으면서 조금씩 커진다. 시간이 걸려도 예쁘게 만들어지면 참 좋은데, 꼭 만들어지다 보면 안에 이상한 게 하나씩 낑긴다. 그러면 모양이 이상해진다ㅜㅠ 그런 불순물 없이 깔끔하게 만들어진 결정을 완전 결정이라고 한다. 그럼 완전 결정은 그 원소들이 모여서 만들 수 있는 물질 중에 제일 규칙적인 물질이니까 그 원자들이 가질 수 있는 엔트로피 중에 제일 낮은 엔트로피를 가지겠지? 여기까진 좋다. 그런데 완전결정의 엔트로피는 0이다 하면 되지, 낑겨있는 ‘절대 0도’는 또 뭐지? 

 절대 0도는 물질의 온도 중 제일 낮은 온도이다. 그런데 모든 원소는 온도가 낮아질수록 움직임이 둔해진다. 우리가 추우면 움직임이 둔해지는 것처럼. (사실 이게 온도의 열역학적인 정의다. ‘계의 입자가 가지는 에너지의 평균값‘) 온도가 점점 낮아지다 보면 원소가 점점 떨림이 둔해질 거고, 어느 순간 그 떨림이 멈추겠지? 그 떨림이 멈추는 순간을 절대 0도 (-273  ) 라고 한다. 그럼 당연히 절대 0도에서 엔트로피가 가장 작을거다. 떨림이 0이 되는 순간 그 물질은 가장 질서정연해질 테니까. 그럼 이제 정리가 다 끝났다. 열역학 제 3법칙은 물질이 제일 질서정연한 상태의 엔트로피를 0으로 정의한 법칙인 거다. 

글 쓰시는 분들 존경스럽다 어렵군요..... 피드백 지적 환영합니다 :D