자발적인 변화는 열역학 제2법칙에서 말하는 것처럼, 볼츠만이 도입한 엔트로피를 통해 설명할 수 있다. 열역학 제2법칙은 여러
가지로 표현될 수 있지만, 가장 유명한 것이 ‘고립계에서는 자발적 변화에서 엔트로피(Entropy, S)가 증가한다’는 것이다.
계와 주위 사이에
일∙열∙물질의 드나듦이 없는 계를 고립계라 하며, 우주 전체는 대표적인 고립계이다.
고립계에서의 자발적인 반응은 엔트로피가 증가하는 방향이라고 했는데, 이를 설명할 수 있는 예를 하나 들어보자. 100명의 학생이 똑같은
동전 1,000개를 10개씩 균등하게 나누어 갖는다면, 이때 W는 1이고, lnW=0이므로 엔트로피는 0이다. 학생들은 동전을 따 먹거나 잃을
수 있다면, 시간이 지나면서 어떤 학생은 10개보다 적게, 어떤 학생은 10개보다 많은 동전을 갖게 될 것이다.
이렇게 학생들이 다른 개수의 동전을 갖는 방법(W)이 아주 많아지고, 따라서 엔트로피는 커진다. 그러나 다시 모든 학생이 저절로 같은
수(10개씩)의 동전을 갖게 되는 경우는 거의 불가능하다. 즉 엔트로피가 증가하는 변화는 자발적으로 일어날 수 있지만, 감소하는 변화는
자발적으로는 불가능하다. |