열역학 제이법칙에 따라 고립계 전체의 엔트로피는 시간이 지남에 따라 항상 증가하거나 일정하다는 법칙이 자연계의 불가역적인 방향성을 어떻게 설명해 주나요?

Question

열역학 제이법칙에 따라 고립계 전체의 엔트로피는 시간이 지남에 따라 항상 증가하거나 일정하다는 법칙이 자연계의 불가역적인 방향성을 어떻게 설명해 주나요?

Answer 1

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

엔트로피는 볼츠만의 식 S = k ln W로 정의되는데, W는 겉보기 상태 하나를 만들 수 있는 분자 배치의 가짓수예요. 상자 안 기체 분자 4개가 왼쪽 절반에 모두 모여 있는 배치는 1가지지만, 2개씩 나뉜 배치는 6가지예요. 분자가 100개만 돼도 전부 한쪽에 모일 확률은 2¹⁰⁰분의 1, 대략 10³⁰분의 1이고, 1몰이면 사실상 0이에요.

분자 하나하나의 운동 법칙은 시간을 거꾸로 돌려도 똑같이 성립해요. 그런데 무작위로 움직이다 보면 가짓수가 압도적으로 많은 고르게 퍼진 상태로 흘러가고, 거기서 다시 특별한 배치로 돌아갈 확률은 거의 없어요. 물에 떨어뜨린 잉크가 퍼지기만 하고 다시 한 방울로 모이지 않는 것, 뜨거운 커피가 식기만 하는 것 모두 이 확률의 차이로 설명돼요.

냉장고 속이나 생명체처럼 엔트로피가 국소적으로 줄어드는 곳은 바깥으로 열을 버려 주변 엔트로피를 더 크게 늘리니, 전체로는 여전히 증가해요. 이 한 방향 흐름이 가능하려면 우주가 처음에 엔트로피가 매우 낮은 상태에서 출발했어야 하고, 이 출발점이 우리가 느끼는 시간의 방향을 만들어요 :)