열역학 그리고 우주

포근한 ......

■ 열역학 그리고 우주

 

  오랜만에 기억 살려가면서

   엔탈피, 엔트로피 법칙이라고도 하는

   열역학 1법칙과 2법칙을 들추어 본다.

 

   에너지 보존 법칙은 쉽게 와 닿지만

   엔트로피는 그렇지 못하여 사전을 찾아 다시 정리해 본다.

 

   열역학 제2법칙의 다른 표현을 요약하면

     - 엔트로피 법칙.

     - 열은 고온에서 저온으로만 이동한다.

     - 일이 열이 되는 과정은 비 가역적이다.

     - 우주의 엔트로피는 증가한다.

     - 2종 영구기관(엔트로피를 감소 시키는 계(界))은 없다.

 

   이 법칙을 달리 표현하여 본다면,

     - 열은 100%로 일로 변화되지 않는다.

     - 비가역과정에서의 엔트로피 증가의 법칙

     - 닫힌 시스템(closed system)의 엔트로피(무질서도)는 증가한다.

              만약 우리가 사는 우주가 닫힌 우주라면 우리 우주의 엔트로피(무질서도)는 증가한다.

 

   엔트로피(entropy)는 열역학·통계역학 분야에서

   열역학적 현상의 비가역성(非可逆性)을

   수량적으로 나타내는 상태량이며,

   분자의 열 운동과 같은 입자의

   미시적(微視的;microscopic) 운동상태의 무질서한

   정도(disorder)를 나타내는 양이라고도 정의 한다.

 

    

   이는 “변화”라는 뜻의 그리스어에서 유래된 단어라고 한다.

 

   물체의 열 이동은 고온에서 저온으로만 이동하므로

   엔트로피는 증가(△S >0) 하게 된다.

           △S = Q/Tb ㅡ Q/Ta

 

   또, 고체를 액체로 녹이거나, 액체를 기체로 기화 시키려면

   기화열이나 융해잠열 만큼 외부의 열이 가하여 져야만 한다.

   즉, 스스로 원상 복귀할 수 없는 비가역적인 반응이며,

   역시, 엔트로피는 증가하게 된다.

 

   또한, 가스나 분자의 열에 의한 운동 등 미시적인 경우도

   그 과정에서 일 손실이 발생되어 폐열이 불가피하게 되고

   역시, 엔트로피는 증가하게 된다.

 

   물리학에서 엔트로피란

   “볼츠만의 식에 의해 계의 무질서 도를 나타내는 상태량”

   이라고 정의한다.

 

   볼츠만의 식에서, 입자 수 N, 부피 V, 에너지 E,

   거시적인 계의 열역학적 확률을 W라 하면,

   이 계의 엔트로피 S는 ;

          S (N.V.E) = k log e W   (k=볼츠만 상수)

 

   물질과 마찬가지로 에너지는

   없던 것이 갑자기 생겨나거나   

   있던 것이 소멸되지는 않는다.

 

   태양계던, 지구던, 어떤 생물체던

   각각의 개체(계(界))는 물리 화학적으로 개방된 계로서

   일정한 엔트로피 정상상태를 유지하기 위하여

   증가하는 엔트로피를 외부로 끊임 없이 방출하고 있다.

 

   우주의 모든 계는 엔트로피 정상성(定常性)을 유지한다.

 

   태양계의 지구는 태양으로부터

   1m²마다 평균 약 222W의 에너지를 받는 동시에

   한편으로는 적외선(열선) 복사 방식으로

   외계(대기권 바깥 공간)로 방출함으로써

   얻어 들인 것보다 약 16％ 더 많은 양의 엔트로피를

   외계로 버리고 있다.

 

   즉 지구는 일정량의 엔트로피가 외계로 방출함으로써

   엔트로피 정상성이 유지되고 있다.

 

   생물계에서도 생물체가 에너지원인 먹이를 섭취하여

   생명을 유지하는데, 호흡.운동.배설 등에 의한

   열 방산에 따라 에너지를 몸 밖으로 버리고 있다.

 

   즉, 생물도 지구와 같이 개방 정상계에 해당하며

   엔트로피가 몸 밖으로 버려짐으로써

   몸 안 엔트로피의 정상성(항상성)이 유지되고 있다.

 

   이처럼 생물계, 지구, 태양계 등 모든 계(界)는

   증가되는 엔트로피를 외계로 내 보내며

   그 정상성이 유지되고 있는 것이다.

 

   역설적으로

   엔트로피를 외계로 보낼 수 있을 때

   우주의 현상이 유지된다는 이야기이며,

 

   이러한 현상이 유지되는 한, 우주의 엔트로피는 증가하고

   그 무질서한 정도(disorder)가 계속 커지는 만큼

   우주는 팽창한다고 볼 수 있다.