엔트로피(entropy)의 열역학적 정의와 특성

엔트로피는 시스템의 무질서 또는 무작위의 정도를 나타내는 열역학적 특성입니다. 이 값은 기호 S로 표시되며 단위는 J/K로 표현됩니다.

 

엔트로피(entropy)의 열역학적 정의

열역학에서 엔트로피는 상태 함수이며, 이는 시스템의 현재 상태에만 의존하고 시스템이 어떻게 그 상태에 도달했는지에 의존하지 않는다는 것을 의미합니다. 주어진 에너지 수준에서 시스템이 사용할 수 있는 마이크로 상태의 수를 측정한 것입니다. 열역학에서 엔트로피는 시스템의 무질서나 무작위성의 정도를 측정하는 것입니다. 이 값은 절대 온도에 대한 시스템 내부 또는 시스템에서 전달되는 열의 비율로 정의됩니다:

 

S = Q / T

 

여기서 S는 시스템의 엔트로피 변화, Q는 시스템에서 또는 시스템에서 전달되는 열, T는 절대 온도입니다.

위의 방정식은 주변 환경과의 열 교환으로 인한 시스템의 엔트로피 변화를 설명합니다. 시스템에 열이 추가되면 시스템의 엔트로피는 증가하는 반면 시스템에서 열이 제거되면 엔트로피는 감소합니다. 가역 과정의 경우 다음 방정식을 사용하여 시스템의 엔트로피 변화를 계산할 수 있습니다.

 

ΔS = Qrev / T

 

여기서 ΔS는 엔트로피의 변화이고, Qrev는 가역적 과정에서 전달되는 열이며, T는 그 과정이 일어나는 온도입니다.

 

엔트로피의 특성

위의 방정식은 가역 과정을 거치는 시스템의 엔트로피 변화를 계산하는 데 유용하며, 이는 주변 환경에 어떠한 변화도 일으키지 않고 반전될 수 있는 과정입니다. 가역적 과정은 과정의 이상적인 한계를 나타내며 실제 과정의 기준점을 제공하기 때문에 중요합니다.

열역학 제2법칙은 분리된 시스템의 엔트로피는 항상 시간이 지남에 따라 증가한다고 말합니다. 이것은 자발적인 과정이 시스템의 무질서를 증가시키는 경향이 있고, 무질서가 증가함에 따라 엔트로피도 증가하기 때문입니다.

예를 들어, 용기 안의 가스를 생각해 보면, 칸막이가 제거할 때 가스 분자가 자발적으로 퍼져나가 용기 전체를 채우게 되어 시스템의 무질서가 증가하고 엔트로피가 증가합니다. 엔트로피는 또한 열 전달의 개념과 관련될 수 있습니다. 열전달은 두 물체가 열평형에 이를 때까지 뜨거운 물체에서 차가운 물체로 자발적으로 일어납니다. 이 과정에서 더 뜨거운 물체의 엔트로피는 에너지가 더 차가운 물체로 전달되면서 감소하고, 이는 다시 엔트로피를 증가시킵니다.

 

전체적으로 엔트로피는 시스템이 무질서 또는 평형으로 이동하는 경향의 척도를 제공하기 때문에 열역학에서 중요한 개념입니다. 또한 열 엔진, 화학 반응 및 기타 열역학적 과정의 분석에 사용됩니다.

Diffusion 확산 / Photo by Chaozzy Lin on Unsplash