[쉽게 읽는 과학 3] 열역학 2법칙

 

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)

 

 

 

 

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