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물리학에서 열역학 제2법칙(second law of thermodynamics)은 열적으로 고립된 계에서 매 시각마다 계의 거시상태의 엔트로피를 고려하였을 때, 엔트로피가 더 작은 거시상태로는 진행하지 않는다는 법칙이다.
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우주를 설명하는 단 하나의 개념을 말해야한다면, 그것은 분명히 엔트로피일 것입니다. 엔트로피는 우리의 상상력을 자극하기도 합니다. 영화 테넷에서는 엔트로피의 역전에 관한 이야기가 나오기도 했습니다. 또한 사회현상에 엔트로피 개념이 도입되기도 합니다.이번 영상에서는 엔트로피의 역사와 볼츠만 방정식, 무질서도의 개념과 ‘엔트로피는 항상 증가한다’는 열역학 제2법칙이 어떤 의미를 가지는지 자세하게 다루어보았습니다.
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#엔트로피 #열역학 #열역학 제2법칙 #볼츠만 #위니버스
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00:00 엔트로피의 중요성과 볼츠만
00:41 사디 카르노의 카르노 행정(사이클)
1:42 클라우지우스의 엔트로피와 열역학 제2법칙
1:56 가역성과 비가역성
2:28 엔트로피의 정의
2:49 클라우지우스의 엔트로피 계산
3:46 루트비히 볼츠만의 엔트로피
4:29 볼츠만의 원자와 아인슈타인의 브라운운동
5:08 볼츠만 방정식을 이용한 엔트로피 계산
6:44 시간의 화살
7:31 우주의 기원과 종말
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열역학 법칙 – 나무위키:대문
3. 열역학 제2법칙: 엔트로피의 법칙[편집] … 고립계의 엔트로피는 감소하지 않는다. 프랑스의 공학자 사디 카르노는 일 효율성을 최대로 만드는 가상의 …
Source: namu.wiki
Date Published: 10/21/2021
View: 7768
[쉽게 읽는 과학 3] 열역학 2법칙
열역학 제 2법칙은 자연적인 에너지 흐름의 방향성을 알려주는 법칙입니다. 자연적이라는 것은 인위적인 외력이 작용하지 않았을 때를 의미하는데요, 이때 …
Source: www.chemi-in.com
Date Published: 3/1/2021
View: 707
열역학 제2법칙 엔트로피 증가 법칙 – 네이버 블로그
열역학 제1법칙은 에너지 보존 법칙의 이해 열역학 제2법칙은 엔트로피 증가 원리 열역학 제3법칙은 절대 0도 도달 불가능.
Source: m.blog.naver.com
Date Published: 11/19/2022
View: 3104
Chapter 7: 열역학 제 2법칙
제 2법칙은 에너지 보존을 따르는 사이클, 엔진, 또는 다른 에너지 변환 장치의 성능에 대한 이론적. 한계를 정한다. 또한 실제 장치를 이론적인 이상형과 정량적으로 …
Source: contents.kocw.or.kr
Date Published: 7/5/2022
View: 9171
쉽게 풀어쓴 열역학 제2법칙 – 울산신문
예를 들어, 식은 커피를 다시 뜨겁게 하기 위해서는 에너지가 필요하다. 저절로 뜨거워지지는 않는다. 이것이 바로 열역학 제2법칙이 주장하는 바이다.
Source: www.ulsanpress.net
Date Published: 8/28/2022
View: 2711
열역학 2법칙 – [정보통신기술용어해설]
열역학 제2법칙 (second law of thermadynamics) ㅇ 열역학적 현상이 `진행하는 방향`에 관한 법칙 – (현상 관찰) . 물은 높은 곳에서 낮은 곳으로, 열은 높은 온도 …
Source: www.ktword.co.kr
Date Published: 9/26/2021
View: 7603
시간이 거꾸로 흐른다? 영화 ‘테넷’ 속 열역학 제2법칙!
제2법칙은 엔트로피라는 추상적인 개념이 있어서 언뜻 이해하기 쉽지 않다. 제2법칙을 한 마디로 말하자면, 우리 우주에서는 자연현상이 일어나는 일정한 …
Source: news.samsungdisplay.com
Date Published: 3/23/2021
View: 5104
열역학 제 2법칙, 엔트로피. 자연의 섭리. – 보리킴
열역학 제 2법칙, 엔트로피. 자연의 섭리. · – 열은 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동한다. · 열이 스스로 차가운 곳에서 따뜻한 곳으로 이동하는 경우는 …
Source: boriborikim.tistory.com
Date Published: 9/13/2021
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주제에 대한 기사 평가 열역학 제 2 법칙
- Author: 위니버스
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- Date Published: 2020. 10. 24.
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물리학에서 열역학 제2법칙(second law of thermodynamics)은 열적으로 고립된 계에서 매 시각마다 계의 거시상태의 엔트로피를 고려하였을 때, 엔트로피가 더 작은 거시상태로는 진행하지 않는다는 법칙이다. 이 법칙을 통해 자연적인 과정의 비가역성과 미래와 과거 사이의 비대칭성을 설명한다. 하지만 엔트로피가 감소된 거시상태가 될 확률은 극히 낮을 뿐 불가능은 아니다.
내용 [ 편집 ]
열역학 2법칙을 통해 차가운 부분에 한 일이 없을 때, 열이 차가운 부분에서 뜨거운 부분으로 흐르지 않는 이유와 열원(reservoir)에서 열에너지가 모두 일로 전환될 때, 다른 추가적인 효과를 동반하지 않는 순환과정(cycle)은 존재하지 않는다는 점에 대해 설명할 수 있다.
열역학 제2법칙의 모순처럼, 고립계가 아닌 계의 엔트로피는 감소하는 것으로 볼 수도 있다. 예를 들어 에어컨은 방 안의 공기를 차갑게 해주어서 공기의 엔트로피를 감소시킨다. 하지만 방 안으로부터 방출되거나 에어컨이 작동함에 따라 흡수되는 열은 항상 그 계의 공기의 엔트로피의 감소보다 많은 양의 엔트로피를 생성한다. 따라서 전체 계의 총 엔트로피는 열역학 제2법칙에 의하듯 증가한다.
역학에서 열역학의 기본 관계를 사용하여 표현된 제2법칙은 계의 일을 할 수 있는 능력의 한계를 나타낸다. 가역과정에서 미소 열 δ q {\displaystyle \delta q} 을 흡수한 온도가 T {\displaystyle T} T인 계의 엔트로피 변화는 δ q T {\displaystyle {\frac {\delta q}{T}}} 로 주어진다.
열역학 제1법칙이 과정 전, 그리고 후의 에너지를 양적(量的)으로 규제하는 반면, 열역학 제2법칙은 에너지가 흐르는 방향을 규제한다.[1]
다른 표현 [ 편집 ]
열역학 제2법칙은 다양한 방법으로 서술될 수 있다.[2] 특히 루돌프 클라우지우스(1854), 켈빈 남작(1851), 콘스탄티노스 카라테오도리(1909)의 서술이 대표적이다. 이러한 서술은 특정한 과정의 불가능성을 언급하면서 일반적인 물리적 용어들을 제시했다. 클라우지우스의 서술과 켈빈의 서술은 동등한 것으로 여겨진다.
켈빈-플랑크의 서술 [ 편집 ]
켈빈 남작과 막스 플랑크는 열역학 제 2법칙을 다음과 같이 서술했다.
열원으로부터 열을 전부 흡수하여 일로 바꾸는 과정은 불가능하며 열을 일로 전환하기 위해서는 반드시 열이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동해야 한다.[2]
클라우지우스의 서술 [ 편집 ]
독일의 물리학자 루돌프 클라우지우스는 저온의 물체에서 고온의 물체로 열을 전달시키는 것이 유일한 결과인 과정은 불가능하다고 서술했다.[2]
두 서술의 동등성 [ 편집 ]
이 그림을 이용하여 켈빈의 서술을 클라우지우스의 서술으로부터 유도할 수 있다.
그림과 같이 켈빈의 서술을 클라우지우스의 서술로부터 유도할 수 있다.
역사 [ 편집 ]
1824년 사디 카르노는 이상적인 열기관인 카르노 기관을 고안했다. 이는 열기관의 열효율이 유한함을 함의했다.
1865년 루돌프 클라우지우스는 엔트로피는 고립계에서 항상 증가한다는 것을 보였다.[5]
통계 역학 [ 편집 ]
엔트로피가 확률에 의해 지배받는 요소라는 것을 입증한다. 따라서 무질서의 감소가 닫힌계 안에서도 일어날 수 있다. 그러나 이것이 나타날 확률은 매우 작기 때문에 이러한 현상이 나타나더라도 계의 매우 적은 입자들에만 영향을 미치는 일시적인 감소이다.
영구기관 [ 편집 ]
열역학 제 2법칙은 영구기관의 불가능성을 정리하는 데 큰 기여를 했다. 열역학 제1법칙이 과정 전과 후의 에너지를 양적(量的)으로 규제하고 있는 데 비하여, 제2법칙은 에너지가 흐르는 방향을 규제하는 성격을 띠고 있다. 즉 에너지의 흐름은 엔트로피가 증가하는 방향으로 흐른다는 것이다. 따라서 이 법칙에 따르면, 하나의 열원에서 열을 받아 이것을 일로 바꾸되 그외 어떤 외부의 변화도 일으키지 않는 열기관인 제2종 영구기관의 제작은 불가능하다고 할 수 있다. 제2종 영구기관은 100%열을 받아서 100%운동에너지로 바꿀 수 있는 기관이다. 그렇지만 켈빈-플랑크의 기술에 의하면 제2종 영구기관의 제작은 불가능하다고 했다. 효율이 좋은 기관의 제작은 가능하지만 영구기관을 만드는 것은 불가능하다.[1]
같이 보기 [ 편집 ]
열역학 법칙
열역학적 평형(thermodynamic equilibrium)
어떤 계의 물체 A A A 와 B B B 가 열적 평형상태에 있고, B B B 와 C C C 가 열적 평형상태에 있으면, A A A 와 C C C 도 열평형상태에 있다.
이는 수식으로 다음과 같이 표현한다.
A ∼ B ∧ B ∼ C ⇒ A ∼ C A \sim B \wedge B \sim C \Rightarrow A \sim C A ∼ B ∧ B ∼ C ⇒ A ∼ C
[쉽게 읽는 과학 3] 열역학 2법칙
한화토탈에너지스
앞서 설명한 열역학 제 1법칙은 에너지 보존의 법칙입니다. 에너지는 형태는 변할지 언정 크기는 일정하다는 것이었는데요, 이를 통해서 계 내 외부 간의 열에너지의 흐름과 일, 그리고 내부 에너지의 관계에 대해서도 알게 되었을 것입니다. 오늘은 열역학 2법칙에 대해 알아보도록 하겠습니다.
01
‘엔탈피’ 개념 이해하기
먼저 ‘엔탈피’를 언급하지 않을 수가 없는데요. ‘엔탈피’는 여러모로 내부 에너지와 비교해서 많이 언급 됩니다. 열역학 1법칙을 통해 생각해보건대, 계 외부로부터 열에너지가 내부로 유입된다고 생각해보죠. 계가 외부로 하는 일이 없다면 유입된 열에너지는 모두 내부 에너지를 높이게 되었을 것입니다.
계가 외부로 일을 하는 경우라면 부피가 팽창하는 경우이므로 따라서 내부 에너지를 측정하는 이론적인 방법은 부피 변화가 일어나지 않게 하는 거에요. 부피 변화가 없는 강철 실린더에서 열의 출입만 확인하면 되는 것이죠. 하지만 이론적으로는 간단해도 실제로 이렇게 실험을 꾸리는 것은 생각처럼 간단하지는 않아요. 게다가 이렇게 구한 내부 에너지는 실제 활용할 때 있어서 번거롭기 그지 없고요. 왜냐면 일상 생활에서의 대부분의 열역학적인 변화는 일정한 압력 조건에서 일어나지 부피가 일정한 조건은 아니거든요.
예를 들어볼게요. 냉장고에서 얼음이 얼 때 얼음의 부피가 변하죠. 물이 끓을 때도 마찬가지로 증기의 부피는 가열됨에 따라 팽창하게 된답니다. 대신 이때의 압력 조건은 모두 대기압 조건이에요. 여러분이 했던 화학 실험도 생각해보세요. 대부분의 화학 실험 역시 일정한 온도와 압력을 변수로 해요. 만약 부피를 고정하면 난로 위에 꽁꽁 묶어 놓은 주전자처럼 굉장히 위험한 실험이 될 수 밖에 없기 때문이죠.
그렇다면 이러한 조건에서 내부 에너지를 고려하는 것은 너무 번거로울 수 밖에 없습니다. 열의 출입뿐만 아니라 부피 변화를 매번 계산해 주어야 하거든요.
그래서 유용하게 사용되는 개념이 엔탈피에요. 엔탈피는 내부 에너지뿐만 아니라 공간 에너지를 포함하고 있는 개념이에요. 특히, 압력이 일정할 때는 외부와의 열 출입이 곧 엔탈피의 변화가 되는 특징이 있어요. 부피가 일정할 때는 외부와의 열 출입이 곧 내부 에너지의 변화량이 되는 것처럼요.
다시 냉장고 속에서 물이 얼음으로 되는 과정을 생각해볼까요? 물과 얼음의 내부 에너지로부터 열의 출입을 알려면 물이 얼음으로 변하면서 생긴 부피 변화를 먼저 알아야 하죠. 하지만 물과 얼음의 엔탈피를 알고 있다면 이 둘의 차이가 곧 물이 얼음으로 변할 때의 열의 출입이 된답니다. 어때요? 정말 유용한 개념이죠?
02
열역학 제2법칙과 ‘엔트로피’
자, 그럼 엔탈피에 이어서 이번에 소개드릴 열역학 제 2법칙에서는 엔트로피라는 개념이 등장해요. 열역학 제 2법칙은 자연적인 에너지 흐름의 방향성을 알려주는 법칙입니다. 자연적이라는 것은 인위적인 외력이 작용하지 않았을 때를 의미하는데요, 이때 에너지는 특정한 방향성을 갖고 이동한다는 것입니다.
열역학 제2법칙은 바로 이러한 방향성을 ‘엔트로피’라는 개념으로 설명합니다. 바로 ‘고립된 계에서 엔트로피는 감소하지 않는다’라는 것이죠. 으잉? 엔트로피란 무엇이지? 왜 감소하지 않는다는 것이지? 엔트로피라는 개념을 처음 듣는 분에게는 생소하지 않을 수 없는 개념인데요, 엔트로피를 온도와 같이 어떤 특정 물리량을 나타내는 척도라고 이해하면 돼요.
여러분이 지금 알고 있는 온도라는 개념을 어떻게 알게 되었을까요? 바로 여러분의 경험을 통해서입니다. 뜨거운 물체는 온도가 뜨겁고 차가운 물체는 온도가 낮다는 경험에서 출발해서 나중에는 얼만큼 낮고 높은지를 수치화 하기까지의 과정을 통해 지금의 온도라는 개념을 이해하고 있는 것이죠.
03
사례 1) 물 속에 번지는 잉크
엔트로피도 이렇게 이해하면 됩니다. 여러분이 생각하는 자연스러운 과정은 모두 엔트로피가 증가한 결과에요. 흔히 이러한 개념을 물 속에 떨어뜨린 잉크에 빗대서 많이 설명합니다. 물에 잉크를 떨어뜨리면 잉크는 ‘가만히 두어도 알아서’ 번져 나가요. 이때 ‘가만히 두어도 알아서’라는 것은 외력이 작용하지 않는 자연적인 상태를 말합니다.
이때 잉크가 번져 나가는 것은 잉크가 번지지 않고 가만히 있을 때보다 물과 섞였을 때의 엔트로피가 높기 때문이에요. 물과 섞인 잉크가 가만히 두었을 때 다시 한 방울의 순수한 잉크로 분리되는 일은 결코 일어날 수 없어요. 이것은 엔트로피가 감소하는 방향이기 때문이죠. 어때요? 감이 오나요?
04
사례 2) 온도가 다른 물의 변화
열의 흐름도 마찬가지에요. 70℃의 물에 같은 양의 30℃의 물을 넣는다고 생각해봅시다. 우리는 이후에 어떻게 될지 잘 알고 있어요. 외부와의 에너지 출입이 없다면 결국 두 물은 평균 온도인 50℃가 될 거에요. 뜨거운 물은 식고 차가운 물은 데워질 것이라는 것을 알고 있습니다.
이것은 바로 엔트로피가 증가하기 때문인데요. 70℃의 물이 100℃가 되고 30℃의 물이 0℃가 되는 상황은 자연적으로 결코 일어나지 않습니다. 비록 이러한 과정이 에너지 보존의 법칙을 만족시키더라도 말이죠.
자연적이지 않은 방향은 엔트로피가 감소하기 때문이에요. 결국 강제적으로 다른 에너지가 투입되어야만 30℃의 물을 0℃로 만들면서 뺏은 에너지로 70℃의 물을 100℃로 만들 수 있답니다. 물과 섞여버린 잉크도 결국 순수한 잉크로 돌아오기 위해선 분리 과정에서 에너지가 투입되어야 하는 것이죠.
이제 여러분은 에너지 보존의 법칙을 설명하면서 들었던 의문인 ‘에너지를 무한정 사용할 수 없을까?’하는 질문에 답을 할 수 있을 것이라 생각됩니다. 자연적인 과정을 통해서 사용되는 에너지는 엔트로피가 높아지는 방향으로 움직이고 혹여 강제적으로 낮추는 과정에서도 역시 에너지를 소모하기 때문에 우리가 사용할 수 있는 에너지는 한정될 수 밖에 없습니다. (이것을 되돌릴 수 없다는 뜻에서 비가역적이라고 합니다.)
열역학 1법칙과 함께 생각하면 결국 에너지의 총량은 보존이 되지만 유용한 에너지로 되돌리는 가역적인 과정은 불가능하므로 점차 사용할 수 없는 에너지로 바뀌어 가는 것이죠. 이제 여러분이 왜 에너지를 아껴야 되는지 아시겠죠?
(글: 한화토탈 심상현 과장)
글로벌 케미칼 & 에너지 리더,
한화토탈에 대해 더 알고 싶다면?
열역학 제2법칙 엔트로피 증가 법칙
수능에서도 이런 정의를 물어보는 문제와 자주 만나게 되는데
열역학 제2법칙의 정의는 다음과 같이 다양하게 표현됩니다
클라우지우스의 표현에 의하면 열은 고온 물체에서 저온 물체 쪽으로 흘러가고 스스로 저온에서 고온으로 가지 않는다
켈빈-플랑크의 표현을 빌리면 역학적 일은 전부 열로 바꿀 수 있지만 열은 전부 일로 바꿀 수 없다
열효율 100%인 기관(제2종 영구기관)은 만들 수 없다(열역학 제1법칙 제1종 영구기관과 혼돈하면 안 됩니다)
마지막으로 좀 어려운 표현이 계의 비가역 변화는 엔트로피가 증가하는 방향으로 진행된다입니다
처음 들어서 어려운 부분이 있을 수 있는데 하나하나 살펴보도록 하지요
먼저 클라우지우스의 정의를 살펴보면 가장 쉽게 이해할 수 있는 정의입니다
쉽게 풀어쓴 열역학 제2법칙
박승배 울산과학기술대 교수
아파트 3층에서 창문 밖으로 열 개의 테니스공을 던져보자. 바닥에 떨어진 열 개의 공들은 모두 불규칙하게 여러 곳으로 흩어질 것이다. 열 개의 공들이 1열로 줄을 서는 일, 즉 규칙이 있는 상황은 발생하지 않는다. 그러나 1열로 줄을 설 가능성을 배제할 수는 없다. 아주 낮긴 하지만 말이다. 앞의 예와 같이, 발생할 확률이 높은 상황은 엔트로피가 높다고 말하고, 발생할 확률이 낮은 상황은 엔트로피가 낮다고 말한다.
방 안에 향수를 뿌려보자. 향수분자들은 방안 곳곳으로 퍼질 것이다. 퍼지지 않고 뿌려진 곳에 계속 머물지 않는다. 그러나 그렇게 계속 머물 가능성을 배제할 수는 없다. 아주 낮긴 하지만 말이다. 향수분자가 퍼져 있는 상태는 발생할 확률이 높으므로 엔트로피가 높다고 볼 수 있고, 뿌려진 곳에 계속 머무는 상태는 발생할 확률이 낮으므로 엔트로피가 낮다고 볼 수 있다.
방안에 뜨거운 커피 한 잔이 있다고 해보자. 커피는 방안의 온도를 미미하게 높이면서 식을 것이다. 커피가 식지 않는 상황은 발생하지 않는다. 그러나 식지 않을 가능성을 배제할 수는 없다. 아주 낮긴 하지만 말이다. 마찬가지로, 커피가 식은 상황은 발생할 확률은 높기 때문에 엔트로피가 높다고 말할 수 있고, 커피가 계속 뜨거운 상황은 발생할 확률이 낮기 때문에 엔트로피가 낮다고 말할 수 있다.
엔트로피 낮추는데는 에너지 필요
뜨거운 커피는 내버려 두면 저절로 식는다. 식히는데 별도의 에너지가 필요하지 않다. 향수분자도 뿌리면 사방으로 저절로 퍼진다. 사방으로 퍼뜨리는데 별도의 에너지가 필요하지 않다. 이렇듯 사물은 그냥 내버려두면 엔트로피가 낮은 상태에서 높은 상태로 저절로 가려는 성질을 가지고 있다. 즉, 에너지가 주어지지 않아도 발생할 확률이 낮은 상태에서 발생할 확률이 높은 상태로 변하려는 경향이 있다.
에너지보존의 법칙과 반대현상
이에 반해 사물의 엔트로피를 떨어뜨리는 데는 에너지가 필요하다. 즉, 발생할 확률이 높은 상태를 발생할 확률이 낮은 상태로 바꾸기 위해서는 에너지가 필요하다. 예를 들어, 식은 커피를 다시 뜨겁게 하기 위해서는 에너지가 필요하다. 저절로 뜨거워지지는 않는다. 이것이 바로 열역학 제2법칙이 주장하는 바이다. 열역학 제2법칙은 뜨거운 커피가 왜 저절로 식는지, 식었던 커피는 왜 저절로 뜨거워지지 않는지를 설명한다.
그런 현상은 열역학 제1법칙(=에너지 보존의 법칙)에 의해 설명될 수 없다. 뜨거웠던 커피는 식기 전과 식은 후 방 전체가 가지고 있는 에너지의 양은 동일하다. 따라서 뜨거웠던 커피가 저절로 식는 현상이 발생하는 빈도만큼 차가웠던 커피도 저절로 뜨거워지는 현상이 발생해야 마땅하다. 그러나 그런 현상은 발생하지 않는다. 열역학 제2법칙에 위배되기 때문이다.
인간관계도 열역학 제2법칙의 지배를 받는 측면이 있다. 좋은 인간관계를 획득하고 유지하기 위해서는 에너지가 필요하다. 저절로 생기지도 않고 저절로 유지되지도 않는다. 따라서 좋은 인간관계는 엔트로피가 낮은 상태라고 볼 수 있고, 소원한 인간관계는 엔트로피가 높은 상태라고 볼 수 있다.
시간이 거꾸로 흐른다? 영화 ‘테넷’ 속 열역학 제2법칙!
열역학 제2법칙’을 모르는 것은 셰익스피어를 읽지 않은 것과도 같다는 찰스 스노우의 일갈은 유명하다. 스노우는 영국의 과학자이면서 소설가로서 과학과 인문학이라는 ‘두 문화’의 단절을 큰 문제로 지적했다. 세간에서 셰익스피어를 읽지 않은 사람은 교양이 없다는 인식이 팽배하지만 제2법칙을 모른다고 해서 그 사람들을 그렇게 취급하지는 않는다. 내 경험에 따르면 오히려 제2법칙을 아는 것이 부끄러운 (“그런 것도 다 알아?” 하는 식으로) 시절도 그리 오래전 일이 아니다.
최근 개봉한 영화 <테넷>은 사람들에게 물리학을 어느 정도 이해할 수 있는 기회를 제공해 준다는 점에서 과학자의 한 사람으로 긍정적으로 생각한다. 영화배우 로버트 패틴슨은 <테넷>을 이해하기 위해서는 물리학 석사 학위가 필요할 것 같다고 말했지만, 일반물리학을 충실히 배웠다면 <테넷>을 즐기는 데에 부족하지 않으리라는 게 내 생각이다.
어떤 계의 무질서한 정도를 나타내는 양 ‘엔트로피’
먼저, 영화 <테넷> 속 열역학적 시간에 대해 설명하기 전에 열역학과 엔트로피 법칙에 대해 알아보자. 열역학은 열에 관한 현상을 다루는 물리학이다. 이를 설명하는 초기 이론으로 열소이론이 있다. 열소이론이란 질량이 없는 열소(caloric)라는 입자를 도입해 열현상을 설명하는 이론이다. 18세기에 화학 혁명을 이끌었던 프랑스의 라부아지에 등이 적극적으로 옹호했던 이론이기도 하다.
흔히 열역학이 정립되고 발전한 결과 영국에서 증기기관을 필두로 한 산업혁명이 촉발되거나 가속됐다고들 생각하는데 이는 잘못된 통념이다. 오히려 열기관의 효율을 높이기 위한 노력 속에서 열역학이 발달했다. 처음에는 온도와 부피, 압력 등 거시적인 물리량을 중심으로 열 현상을 기술했으나 19세기 후반기에는 미시적인 분자들의 운동이라는 관점에서 통계역학적으로 열 현상을 설명하기에 이른다.
19세기 중반에는 열역학과 관련된 법칙들이 제시되었다. 제1법칙은 열현상에서의 에너지 보존법칙이다. 즉, 닫힌 계(closed system; 물질은 출입이 불가하나 에너지는 출입이 가능한 계)에 열량이 공급되면 그 계는 물리적인 일을 하고 또한 계의 내부 에너지도 증가한다. 에너지가 열량이나 일 등의 형태로 바뀔 수는 있어도 중간에 사라지거나 갑자기 생겨나지는 않는다.
제2법칙이 그 유명한 엔트로피의 법칙이다. 고립된 계(isolated system; 물질과 에너지 모두 출입 불가능한 계)에서는 엔트로피라는 양이 결코 줄어들지 않는다는 법칙이다. 제2법칙은 엔트로피라는 추상적인 개념이 있어서 언뜻 이해하기 쉽지 않다. 제2법칙을 한 마디로 말하자면, 우리 우주에서는 자연현상이 일어나는 일정한 방향성이 있어서 엔트로피라는 양이 줄어드는 그런 방향으로는 자연현상이 일어나지 않는다는 법칙이다.
엔트로피란, 간단히 말해서 어떤 계의 무질서한 정도를 나타내는 양이다. 직관적으로 우리는 정돈된 상태와 어질러진 상태에 대한 개념이 있다. 이를 좀 더 과학적으로 표현하는 방법은 그 계가 취할 수 있는 경우의 수를 결부시키는 것이다.
영화 ‘테넷’ 속 열역학적 시간
우리 우주에서는 엔트로피처럼 한쪽 방향으로만 흘러가는 것이 있는데, 바로 시간이다. 왜 시간은 한쪽으로만 흐르는지 과학자들도 알지 못한다. 다만 그 특정한 방향성 때문에 엔트로피가 증가하는 방향을 시간이 흐르는 방향과 일치시키는 것은 자연스러운 시도이다. 이를 열역학적 시간이라고 한다. 영화 <테넷>에서 다루는 소재가 바로 열역학적 시간이다.
시간 여행을 소재로 한 드라마나 영화는 많다. 시간 여행에도 여러 종류가 있어, 특정한 시점으로 미끄러져 들어가는 타임슬립(<옥탑방 왕세자>, <터널> 등), 원하는 시점으로 마음대로 도약하는 타임 리프(<백 투 더 퓨처>, <터미네이터> 등), 서로 다른 시점이 혼재하거나 서로 소통할 수 있는 타임 워프(<시그널>, <카이로스> 등), 특정한 시기가 반복적으로 계속되는 타임루프(<엣지 오브 투모로우> 등) 등이 있다. 그러나 이 모든 장르에서도 시간은 오직 한쪽 방향으로만 흐른다.
▲ 영화 <테넷> 속 건물 폭파 장면. (출처: 네이버 영화)
<테넷>이 다른 점은 시간의 흐름이 다른 두 사건을 하나의 화면에 구현했다는 점이다. 시간이 거꾸로 흐르는 시간 역행을 다룬 작품은 여태 거의 없었다. <테넷>에서는 시간 순행적 사건과 시간 역행적 사건이 한 시점에 구현돼 있다. 그러니까 시간의 흐름이 앞뒤로 서로 대칭적인 세상을 창조한 것이다. 이런 대칭성은 영화 곳곳에 숨어 있는데, 제목부터가 앞으로 읽으나 뒤로 읽으나 똑같은
인 것도 그렇다. 시간 역행을 열역학적으로 풀어보면 엔트로피가 줄어드는 일들이 벌어진다. 영화 속에서 자동차 폭발이 있었는데 시간 역행자의 관점에서는 불꽃이 사그라들고 인체가 저체온증에 빠지는 일이 벌어진다. 물론 시간 순행하는 세상에서 시간 역행적 사건이 어떻게 일어나느냐고 묻는다면 그저 영화적 상상이라고 밖에는 할 말이 없다.
예컨대 우리는 몸속의 에너지를 소비하면서 신체를 일정한 온도로 유지한다. 몸 밖의 대기는 보통 체온보다 낮으므로 신체에서 허공으로 열량이 방출된다. 만약 제2법칙이 거꾸로 작용한다면 대기는 더 차가워져 얼어붙고 우리 몸뚱이는 뜨겁게 불타오를 것이다. 그런 우주에서는 우리 같은 구조물이 안정적인 생명현상을 오랫동안 유지할 수 없을 것이다.
우리 생활에서 발견할 수 있는 엔트로피 법칙
영화 <테넷> 속 열역학적 시간의 이해가 아직 어려우신 분들도 분명 있을 것이다. 이해가 어렵다면 엔트로피 법칙을 우리 일상생활에서 일어날 수 있는 일로 좀 더 쉽게 이해해 보도록 하자. 예를 들어 넓은 책상 위에 연필꽂이가 하나 놓여 있다. 연필꽂이의 단면적은 책상 면적의 1/10이라 하자. 이제 10자루의 연필이 연필꽂이에 꽂혀 있는 경우와 책상 위에 놓여 있는 경우를 생각해 보자.
일반적으로 우리는 연필이 연필꽂이에 꽂혀져 있는 경우를 책상 위에 흩어져 있는 경우보다 더 정돈돼 있다고 말한다. 즉, 후자의 경우가 더 무질서하다. 연필을 임의로 흩어 놓을 때 연필꽂이 안에 10자루의 연필이 모두 들어가는 경우의 수는 연필이 모두 책상 위에 있을 경우의 수보다 훨씬 더 적다. 여기서 우리는 정돈된 상태를 가능한 경우의 수가 적은 상태로 기술할 수 있고, 이때의 엔트로피를 경우의 수와 결부시켜 (로그 값에 비례하는 양으로) 정의할 수 있다. 이렇게 정의된 엔트로피는 작은 값이다. 즉, 정돈된 상태는 엔트로피가 낮다. 반대로 무질서한 상태는 취할 수 있는 경우의 수가 훨씬 많아서 엔트로피가 더 크다. 그러니까, 제2법칙을 달리 말하자면 자연현상은 무질서한 방향으로 진행된다는 뜻이다. 특별히 신경 쓰지 않고 살면 책상 위는 온갖 문구용품 등으로 어지러워진다. 즉, 엔트로피가 증가한다. 힘들여 애쓰지 않는 이상 저절로 책상이 정리되는 경우는 없다.
비빔밥을 예로 들어 보자. 처음 비빔밥을 받아 들면 밥과 고기와 달걀과 각종 나물들과 양념이 가지런히 각자의 위치를 차지한 채로 분리돼 있다. 이제 숟가락으로 비빔밥을 섞으면 이 모든 요소들이 골고루 뒤섞인다. 섞기 전에는 그릇의 어느 부분에서 숟가락으로 퍼 올리느냐에 따라 달걀만 올라오거나 시금치만 올라올 수도 있다. 그러나 골고루 뒤섞인 뒤에는 그릇의 어느 부분에서 숟가락으로 퍼 올려도 그 내용물이 거의 똑같다. 섞기 전의 엔트로피가 낮은 상태에서 섞은 뒤의 엔트로피가 높은 상태로 바뀌었다. 어느 정도 섞고 나면 더 이상 섞을 필요가 없이 아주 골고루 섞인 상태가 된다. 이때는 엔트로피가 최대인 상태라 더 이상 커지지 않는다.
여기서 한 가지 중요한 점은 일단 비빔밥을 섞기 시작하면 아무리 오랜 세월을 뒤섞어도 원래의 상태, 즉 밥과 고기와 달걀과 나물과 양념이 가지런히 분리된 상태로 돌아가지 않는다는 점이다. 우리는 그런 경우를 본 적이 없다. 비빔밥 하나를 수십 년 동안 섞어보지 않아도 우리는 그런 일이 절대 일어나지 않는다는 것을 직관적으로 알고 있다. 전자의 경우의 수보다 후자의 경우의 수가 훨씬 더 크기 때문이다. 이것이 제2법칙이다. 비빔밥을 뒤섞는 과정은 비가역적이다.
이번엔 시원한 아이스 아메리카노가 만들어지는 과정을 통해 제2법칙을 살펴보자. 용기에 얼음을 여러 조각 담고 뜨거운 물과 뜨거운 에스프레소를 붓는다. 처음에는 얼음과 물과 에스프레소가 잘 분리돼 있다. 가만히 내버려 두면 눈에는 보이지 않지만 각 분자들이 열심히 이리저리 충돌하면서 마치 비빔밥을 숟가락으로 젓는 것과 같은 효과가 나타난다. 충분히 오랜 시간이 지나면 얼음은 다 녹고 적당히 시원한 아이스 아메리카노만 남는다. 여기서 아무리 오랜 시간이 더 지나더라도 아이스 아메리카노가 다시 얼음과 뜨거운 물과 뜨거운 에스프레소로 돌아가지 않는다. 이는 엔트로피가 감소하는 방향이기 때문이다.
제2법칙은 이 예에서처럼 열은 높은 온도에서 낮은 온도로 흐른다고 간단히 정리할 수도 있다. 그 반대 방향, 즉 낮은 온도에서 높은 온도로 열량이 전달되더라도 제1법칙(에너지 보존법칙)에 위배되지 않는다. 만약 제2법칙이 반대 방향으로 작용한다면 얼음에 뜨거운 물과 에스프레소를 넣었을 때 얼음은 더 낮은 온도로 떨어지고 물과 에스프레소는 끓어서 증발해 버릴 것이다. 추운 겨울 방을 데우기 위해 보일러를 켜는 일도 소용없을 것이다. 방바닥에 깔린 파이프 속의 물은 끓어넘치는데 파이프와 방바닥의 온도는 더 내려갈 테니 말이다. 적어도 우리가 아는 한 자연에서 이런 일이 일어나지 않는다. 이처럼 제2법칙은 자연현상의 비가역성, 또는 비대칭성에 관한 법칙이다.
▲ 맥스웰의 도깨비 법칙을 나타낸 그림으로, 어떤 가상의 존재(도깨비)가 온도가 같은 두 방 사이에 앉아, 두 방문 사이에 오가는 기체 분자의 위치와 속도를 측정한다고 가정한다.
누군가는 이렇게 반문할 수도 있다. 다 섞인 비빔밥도 젓가락으로 일일이 밥알과 나물과 고기를 골라내고 찢긴 달걀도 다시 모아서 합치고 밥알이나 나물에 묻은 고추장과 참기름도 다시 다 회수해서 원래 나올 때의 상태로 되돌릴 수 있지 않은가? 비슷하게, 어떤 미시적인 초지능적 존재가 있어서 미지근한 물의 분자 상태를 일일이 파악해 속도가 큰 분자와 작은 분자를 크게 둘로 나눈다면, 균일하게 미지근한 물을 차가운 물과 뜨거운 물로 나눌 수 있지 않을까? 과학에서는 그런 존재를 맥스웰의 도깨비라 부른다.
물론 원론적으로 그런 일이 가능하다. 그렇지만 제2법칙이 깨지지는 않는다. 왜냐하면 도깨비가 작동하는 과정에서 에너지를 써야 하고 결과적으로 엔트로피가 더 많이 늘어나기 때문이다. 비빔밥을 원상태로 돌리기 위해서는 얼마나 많은 일을 해야 할지 상상해 보라! 냉장고가 차갑게 유지되는 것도 모터가 냉매를 순환시키는 물리적 일을 하기 때문에 가능하다. 도깨비를 포함한 전체 계의 엔트로피는 줄어들지 않는다.
영화적 상상력을 받아들이고 아주 국소적으로 시간 역행이 가능하다고 인정한다면 <테넷>은 시간 순행과 역행 장면을 한 화면 속에 대단히 설득력 있게 그려냈다는 점 자체만으로도 높이 평가하고 싶다. 어쩌면 시간의 흐름이 대칭적인 우주를 구성할 수 있다는 놀란 감독의 상상력 자체가 대단한 셈이다. 만약 누군가가 과학적으로 그런 가능성을 증명하거나 그 증거를 실험적으로 포착한다면, 노벨상은 말할 것도 없고, 아마도 과학의 역사에서 가장 위대한 발견으로 기록되지 않을까 싶다.
※ 이 칼럼은 해당 필진의 개인적 소견이며 삼성디스플레이 뉴스룸의 입장이나 전략을 담고 있지 않습니다.
열역학 제 2법칙, 엔트로피. 자연의 섭리.
Boribori:3
봄이 오면 어김없이 , 죽어있는 줄로만 알았던 겨울철 나뭇가지에서 꽃들이 피어난다.
매년 되풀이된다. 그럴때마다 참, 생명이란게 신기하다.
완연한 봄이다. 출퇴근길, 오며가며 볼 수 있는 , 봄을 알리는 봄꽃들의 존재를 보며
생명의 신비에 대해 생각하게 되다가 .
자연계 최고의 법칙인, 우리 세상이 흘러가게끔 하는 방향성을 나타내는 열역학 제 2법칙.
엔트로피의 법칙에 대해 고찰해보았다..
열역학 제 1법칙이 에너지의 양(量)에 대한 에너지보존의 법칙이라면,
제 2법칙은 에너지의 흐름, 방향에 대해 이야기한다.
<열역학 제2법칙>
(사진출처: https://www.grc.nasa.gov)
고립계에서, 총 엔트로피는 언제나 증가하거나 일정한다. 엔트로피는 절대 감소하지 않는다.
– 열은 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동한다.
열이 스스로 차가운 곳에서 따뜻한 곳으로 이동하는 경우는 일어나지 않는다.
– 열은 100% 일로 전환될 수는 없다. -> 영구기관은 존재할 수 없다.
여기서 영구기관은 영구적으로, 스스로(외부에서 열/일을 받지 않고도) 움직일 수 있는 기관을 뜻한다.
열기관들이 사용하는 열에너지만큼 일에너지로 다 변환시킨다면 에너지 손실이 없는, 100% 효율적인 기관이다.
그런데, 이 열의 일부는 열기관이 작동하는 도중 주변의 더 낮은 외부 물체들이나 공기로 빠져나가버리고
이는 절대 막을 수가 없으므로 .
그림으로 그려봤다.
열기관의 효율이 100%가 되기 위해선 열기관에서 주위로 방출되어 손실되는 열량이 없어야 한다. .
그러나 현재까지 효율 100% 기계를 만드는 것은 불가능하다.
<엔트로피가 뭘까>
열역학 제 2법칙에는 엔트로피라는 말이 등장한다. 뭘까?
엔트로피를 흔히 무질서도라고 한다.
정육면체의, 각 면마다 다른 색으로 되어있는 큐브라는 장난감을 한번쯤 해봤을 것이다.
처음 이 큐브를 샀을 땐 색이 면마다 다 맞아 있는데 이를 흐트러뜨린 후 다시 처음 상태로 맞추려면
이 큐브의 규칙을 모르는 이상, 힘들 것이다.
또한 몇시간에 걸려 집을 청소하고 정리정돈했다고 하자.
집이 보기 좋게 정돈되는데는 시간과 노력이 필요하지만, 이를 다시 어지럽히는데는
사실 몇 초 걸리지 않는다. 한번 손으로 수납장, 화장대 등을 여러번 흔들거나, 쥬스를 흩뿌리거나,
방을 어지럽히는 건 쉽다. 말썽쟁이 강아지 한마리를 5분만 풀어놓더라도 깨끗했던 방은 어지럽혀질 것이다.
위의 2가지 예를 보면 무질서도라는 말이 이해가 갈 것이다.
그런데 이 무질서라는 말 자체는 추상적일 수 있기 때문에 애매할 수 있다.
그렇다면 어떤 물질이, 또는 계가 무질서한 상태인지 아닌지 어떤 걸 기준으로 판단할 수 있을까?
-> 일어날 수 있는 확률이 높은 것을 취하고 있는 상태가 무질서한 상태이다.
– 큐브의 색이 맞았을 때의 경우는 1이나, 맞지 않을 경우는 엄청나게 많다.
– 방을 정리할 수 있는 방법보다 어지럽힐 수 있는 방법이 훨씬 많다.
또 한가지 예를 들면 물 컵 속에 쥬스 한방울을 떨어뜨리면 점차 쥬스가 물 속으로 퍼져나가 쥬스방울은 물 속에 골고루 섞여 구분하기 어렵게 된다. 이는, 엔트로피의 무질서도의 개념에서 보면, 쥬스를 구성하고 있는 분자들이 자기들끼리만 뭉쳐있을 경우보다 물 전체에 돌아다닐 경우의 수가 훨씬 많기 때문이다.
또, 열은 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동한다고 했다.
뜨거운 물이 담겨있는 컵은, 시간이 지나면서 점점 식다가, 결국엔 외부온도와 온도가 같아진다.
그러나 여기서 시간이 아무리 지나더라도, 식어버린 물이, 다시 뜨거워지는 일은 없을 것이고-
공기 속의 열이 뜨거운 물로 가서 물이 더 뜨거워지고 공기는 열을 빼앗겨 더 차가워지는 일도 없을 것이다.
열은 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 흐르며 열평형을 이루니까.
그렇다면, 확률이 높은 것으로 변해가는 것과, 열이 뜨거운 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 것은 ?
언뜻 보면 그리 상관 없는 걸로 느껴진다. 그런데 평형을 맞추려는 점에서 같은 것 같다.
무질서한 상태인 확률이 높은 것을 취한 상태도 달리 말하면 섞인다, 상태가 평균화/균질화된다고도 할 수 있다.
물질이 뜨겁다는 것은 그 물질을 이루고 있는 분자, 원자들이 빠르게 운동하고 있다는 것이고 차갑다는 것은 반대로 느리게 움직이고 있다는 것. 그런데 시간이 지남으로서 열이 흘러 서로의 온도가 같아지는 것은 빠르게 움직이는 분자는 좀 더 느리게, 느리게 움직이던 분자들은 좀 더 빠르게 해서 평형이 맞춰진다는 것이다.
이런 현상들을 과학적인 용어를 사용해 표현한 것이 바로 ‘엔트로피’이다.
엔트로피를 무질서도, 더 큰 확률을 따른 상태도라 생각하며 어떤 현상에 대해 짐작할 수 있었다면
에너지와 관련해 생각해보면, ‘손실된 에너지(더이상 일을 할 수 없게 된)의 총량’이라 할 수 있다.
사용할 수 있는 자원. 물질들의 양은 일정한데 . 이 물질의 에너지들은 비가역적(일정한 방향) 방향으로 흐르기에 만약 물질의 이용가능한 에너지를 다 써버리면 이전의 상태로 다시 환원시킬 수가 없다.
이 때, 이, 물질 속에 있다가 다시 다른 곳으로 가버린 다시 있던 곳으로 되돌릴 수 없는 에너지의 총량이
엔트로피이다.
예로, 세계 3대 연료인, 석탄을 생각해보자.
우리는 발열량이 뛰어난 석탄을 연소시키며, 내재된 화석에너지를 이용한다.
그러나 일정량의 석탄을 이용해 얻을 수 있는 에너지엔 한계가 있고 이미 사용이 끝난 석탄을 다시 재활용할 수 없기에 계속 땅에 묻힌 새로운 석탄을 찾아 다닌다..
게다가 석탄, 석유 같은 연료를 이용해 취득한 에너지를 이용해 전기를 만들면 또 이 과정에서 열이 주위로 날아가 원래 100이었던 석탄에너지는 80의 전기에너지로. 또 전기를 이용해 기계를 사용하면 이 과정에서도 역시 소량의 열은 방출되어 60~70정도밖에 못쓴다.
이렇게 열로 빠져나가버리기 때문에 실제 사용가능한 에너지는 적을 수 밖에 없다.
물질을 재활용 하려면 이와 비슷하거나 더 큰 다른 에너지를 소모해야 한다. 재활용을 하는 과정에서 물질을 복구하려는 과정에서 에너지를 소모하며 결국 전체적으로는 엔트로피가 상승. 에너지는 어떻게든 결국 소모되고 상실되고 지구에 에너지를 공급하는 태양도 언젠가는 수명을 다해 사라질 것이다.
손실된 에너지의 양이 엔트로피이면, 엔트로피가 증가한다는 것은
곧 우리가 사용할 수 있는 에너지가 감소한다는 말과도 같을 것이다.
<열역학 제2법칙의 예외?>
열역학 제 2법칙의 성립 전제를 보면 ‘고립계’*에 한한다.
*고립계: isolated system. 물질이나 에너지 출입이 전혀없는 말 그대로 고립된 계.
즉, 고립되지 않은 계에선 물질/에너지 출입이 가능하다. 이는 당연히 엔트로피를 감소시킬 수 있다.
그러나 딱 ‘부분적으로’봤을 때만 해당되는 말이다. 외부에서 그 계에 에너지를 공급하면 , 일을 해주면 그 계의 엔트로피는 감소된다. 그런데 그 에너지를 공급한 외부에서 에너지를 공급하기 위한 과정에 에너지 손실이 따르고 이는 전체적으로 봤을 때 엔트로피의 증가이다.
그러나. ‘생명’은 엔트로피의, 열역학 제 2법칙을 거스른다.
주위 온도에 따라 우리가 뜨거워지거나 차가워지나. 그렇지 않다. 늘 36.5도 상시 체온을 유지하고 있다.
그러며 생명은, 우리가 만든 기계처럼 어떻게 작동해야 한다고 따로 설계도가 있는 것도 아닌데.
제 몸의 질서를 유지한다. (여기선 창조론이냐 진화론이냐 이런건 따지지 않겠다.)
그러나 생명을 유지하기 위해선 주변 생명체였던 것을 먹어야 한다. 그리고 에너지를 얻는다.
사실 사람이 아닌 동물들은 딱 자신이 필요로 하는 양만 먹는다. 그리고 다른 자연환경은 파괴하지 않는다.
그리고 결국엔 죽음으로써, 흙의 영양분이 됨으로써 다시 에너지원이 되어 자연으로 돌아가나
사람은 생명 유지비용 이외의 , 살아가면서 방대한 양의 에너지를 쓰다가 죽는다..
우주 안에서 일어나는 모든 현상들은, 스스로 일어나는 자발적인 과정이다. 자연의 섭리라고도 한다. 그런데 인간은 자연의 섭리를 거슬러 자신들만의 질서를 만든다. 펌프를 만들어 물을 아래에서 위로 퍼올리며 고층빌딩에서도 수도꼭지만 틀어 물을 마실 수 있게 하며 에어컨을 만들어 한여름 무더위에도 실내를 쾌적하고 시원하게 만든다. 그러나 이렇게 하는 데에는 그만한 에너지 소모가 필요하며 그만한 에너지를 쓰기 위해 손실되는 에너지까지 계산하면 상상도 못할 에너지가 필요하다.
이렇게 인간이 자신의 삶을 편리하게 하기 위해 거스르는 자연의 섭리들은
엔트로피 감소와는 비교도 못할 속도로 엄청나게 빠르게 증가하는 엔트로피의 증가를 초래한다.
이를 막지 않으면 지구는 빠른 시간안에 종말을 맞을 것이다.. 그것이 언제가 될지는 모르겠지만.
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