열역학 제2 법칙과 실생활 사례, 맥스웰의 도깨비 예시

열역학 제2법칙은 엔트로피 법칙이라고도 하며 자연계에선 정돈된 상태에서 정돈되지 않은 상태로 변화하는 현상을 나타냅니다. 일상생활 속의 엔트로피 증가 현상이 무엇이 있으며 맥스웰의 도깨비에 대해서도 알아보겠습니다.

 

열역학 제2법칙

1. 열역학 제2법칙 이란?

  열역학 제2법칙은 엔트로피 법칙이라고도 합니다. 엔트로피란 거시적으로 같은 상태에 해당하는 다양한 경우의 수(미시적 상태의 수)와 관련된 물리량으로 경우의 수가 클수록 엔트로피가 크다고 합니다.

 

예를 들면 향수 입자가 모여있는 상태보다 방전체에 골고루 퍼진 상태일 때 경우의 수가 더 크고 엔트로피도 더 크기 때문입니다. 고립계에서 일어나는 자발적인 자연현상은 항상 엔트로피가 커지는 방행으로 일어난다는 현상을 열역학 제2법칙이라고 합니다 .

 

만일 당신의 이론이 열역학 제2번칙을 위배한다면, 빨리 포기하는 것이 상책이다. 그런 이론은 아무리 고집해봐야 희망이 없다." 아서 스탠리 에딩턴

엔트로피는 간단히 말하면 무질서도, 무질서한 정도를 나타내며, 열역학 제2법칙 = 엔트로피가 증가 한다.

 

2. 열역학 제2법칙 : 엔트로피와 실생활 예

구   분	처음 상태	시간의 흐름	마지막 상태
엔트로피	규칙적, 정돈됨	>>  시간  >>	어질러짐, 흩어짐
엔트로피 (무질서도)	낮은상태	>>  시간  >>	높은상태
책    상	잘 정돈됨	>>  시간  >>	어질러짐
커    피	뜨거움	>>  시간  >>	차가움
향    수	병에만	>>  시간  >>	방안에 퍼짐
물에 떨어뜨린 잉크	물과 잉크로 분리	>>  시간  >>	흩어져 잉크빛
비 빔 밥	밥과 재료가 잘 분리됨	숟가락으로 비빔	밥과 재료가 잘 섞임
아이스 커피	뜨거운 커피 + 차가운 얼음	>>  시간  >>	차가워진 커피 (얼음 녹음)
닫혀있는 방	외부 보다 덮다.	창문을 열고 환기	밖과 같이 시워해짐
우     주	에너지 덩어리	빅뱅과 함께 시간경과	은하와 별이 되어 팽창중
경     제	저금리	인플레이션	돈의 가치하락

 

열역학 제2법칙

3. 가역 현상, 비가역 현상

  불을 피울 때 생긴 연기는 위로 올라가면서 흩어지게 됩니다. 하지만 흩어진 연기가 다시 모이는 일은 없습니다. 이처럼 반대 방향으로 일어나지 않는 현상을 비가역 현상이라고 합니다. 

 

 진공 중에서 운동하는 진자와 같이 원래의 상태로 되돌아올 수 있는 현상을 가역 현상이라고 하지만, 가역 현상은 마찰과 공기저항이 이 없는 상태여야 하므로 자연계에서는 불가능합니다.

 

 고립계에서 자발적으로 일어나는 비가역 현상에는 방향성이 있습니다. 열은 항상 고온에서 저온으로 이동하는 것처럼 엔트로피가 낮은 상태에서 높은 상태로 이동하듯이 일정한 방향성을 가집니다.

 

4. 맥스웰의 도깨비는 열역학 제2법칙을 깰 수 있었나?

구      분	처음 상태	맥스웰의 도깨비	마지막 상태
책      상	어질러짐	엄마의 손길	잘 정돈됨
여름철 거실	높은 온도와 습도	에어컨 작동	적정 온도와 습도
냉 장 고	30도 물	냉장고 작동	얼음
주 전 자	30도 물	가스렌지 가열	100도 물

  거실의 온도가 낮아졌지만, 에어컨이 작동했어야 하며, 실내 온도가 낮아지는 것보다 실외는 더 많은 열이 발생해서 전체 엔트로피는 높아졌으니 열역학 제2법칙 깨지진 않았습니다.

 

열역학 제2 법칙과 실생활 사례와, 맥스웰의 도깨비 예시였습니다.

 

 

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