엔트로피란 무엇일까?

엔트로피를 한 마디로 정의 내리기는 쉽지 않다.

무질서도? 자유도?

 

일단 고전 열역학적 개념을 이용해서 설명해 본다면

한 물질의 온도 변화(T1 -> T2)에 따른 엔트로피의 변화란 (일정 압력 가정)

(비열/온도)를 변화한 온도 구간에 대해서 적분한 것이다.

(물론 온도는 절대온도이다.)

 

비열이란 단위 온도를 높이는데 필요한 에너지이고

그 값을 온도로 나누었다는 것은

비열을 온도로 normalize한 값이란 것이다.

 

주어진 온도에서

비열이 크다는 것은 결합력이 크다는 것이고

비열이 작다는 것은 결합력이 크지 않다는 것을 의미한다.

 

온도 변화에 따른 ΔS 값이 크다는 것은

온도 변화에 따라 온도로 normalize된 결합력이 '크게' 변화했다는 뜻이다.

즉 자유로워 지려는 경향이 증가했다고 할 수 있다.

 

그래서 엔트로피를 자유도(degree of freedom)로 표현하기도 한다.

이러한 고전 열역학적 개념(dS=dq/T)이 통계열역학을 통해서 재해석되기도 했는데,

통계학적인 정의는 S  =k × lnΩ 이며

k는 볼츠만 상수

Ω는 이 계가 가질 수 있는 상태의 수를 나타낸다.

즉 엔트로피란 계의 상태들의 배열방법 수의 로그(log)에 비례한다.

따라서 엔트로피가 커진다는 것은

확률적으로 더 높은 (있을 법한, 무질서한, 잘 섞여있는) 방향으로 움직인다는 것을 뜻한다.

 

엔트로피가 주목 받은 이유는

주어진 시스템의 변화방향이

항상 엔트로피가 증가하는 방향이기 때문이다. (열역학 제 2 법칙)

즉 더 자유스러워지고 더 무질서 해 지려는 방향으로  움직인다는 것이다.

 

엔트로피 개념으로 물리 현상이 가역적이지 않은 것을 설명하기도 한다.

즉 물리 법칙으로는 시간의 흐름이 순 방향으로 혹은 역방향으로 갈 수 있다는 것이다.

그러나 우리는 항상 순방향 만을 보게 되는데 그이유는

바로 시간의 역방향이란 엔트로피가 감소하는 방향이기 때문에

역방향으로는 진행되지 않는다는 것을 뜻한다.