안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
엔트로피는 볼츠만 식 S = k ln W로 표현돼요. 여기서 W는 겉으로는 같은 상태인 물질이 원자 수준에서 가질 수 있는 배치의 가짓수, 즉 미시 상태의 수예요. 가짓수가 많을수록 엔트로피가 크고, W가 1이면 ln 1이 0이라 엔트로피도 0이 돼요.
양자역학에서는 원자와 분자가 가질 수 있는 에너지가 계단처럼 띄엄띄엄 정해져 있어요. 가장 낮은 계단이 바닥 상태이고 그 위 들뜬 상태와는 일정한 에너지 간격이 있어요. 온도가 높으면 열에너지로 이 간격을 넘어 여러 계단에 골고루 퍼져 있지만, 온도가 내려가면 위 계단으로 올라갈 확률이 지수함수적으로 줄어요. 절대 영도에 다가가면 계 전체가 바닥 상태 하나로 모이고, 그 바닥 상태가 단 하나뿐이라면 W가 1이 돼요. 엔트로피가 0에 수렴한다는 말은 미시 상태가 더 이상 고를 것 없이 하나로 정해진다는 뜻이에요.
에너지가 연속적인 고전역학에서는 이런 간격이 없어서 온도를 낮추면 계산상 엔트로피가 음의 무한대로 내려가 버려요. 바닥 상태가 여러 개로 겹쳐 있는 물질은 0까지 내려가지 않아요. 얼음은 수소 원자 배치가 여러 방식으로 가능해서 절대 영도 근처에서도 잔류 엔트로피가 남아요 :)