뜨거운 커피를 책상 위에 두면 시간이 지나면서 자연스럽게 식는 현상은?

Question

안녕하세요 뜨거운 커피를 책상 위에 두면 시간이 지나면서 자연스럽게 식는 것을 볼 수 있습니다. 이 과정은 단순히 열이 빠져나간다는 현상으로 설명할 수도 있지만, 열역학 제1법칙과 제2법칙의 관점에서 보면 어떤 에너지 이동과 엔트로피 변화가 일어나고 있는 것일지 궁금합니다. 만약 주변 온도보다 더 차가운 상태로 커피가 저절로 식는 일이 일어나지 않는 이유는 무엇이며, 이를 분자 운동 관점에서 어떻게 설명할 수 있을까요?

Answer 1

안녕하세요.

뜨거운 커피를 책상 위에 두었을 때 시간이 지나며 식는 현상은 커피가 가지고 있던 내부에너지의 일부가 주변 환경으로 이동한다는 뜻인데요 이때 열역학 제1법칙의 관점에서 보면, 커피를 하나의 계로 두었을 때 그 내부에너지는 감소하고, 감소한 만큼의 에너지가 열의 형태로 주변 공기와 컵, 책상으로 전달됩니다. 즉, 에너지가 사라지는 것이 아니라 계에서 주위로 이동하는 것이며, 전체의 에너지 총합은 보존되고 이것이 제1법칙이 설명하는 부분입니다.

그러나 제1법칙만으로는 왜 항상 뜨거운 커피가 식는 방향으로만 진행되는지를 설명할 수 없는데요 이 방향성을 규정하는 것이 바로 열역학 제2법칙입니다. 제2법칙은 고립계에서 엔트로피가 감소하지 않는다는 것으로 즉 자연적으로 일어나는 과정은 전체 엔트로피를 증가시키는 방향으로만 진행된다고 말합니다. 뜨거운 커피는 분자 평균 운동에너지가 높은 상태이고, 주변 공기와 책상은 상대적으로 분자 운동에너지가 낮은 상태입니다. 이 두 상태가 접촉하면, 분자 충돌을 통해 고에너지 분자에서 저에너지 분자로 에너지가 분산되는데 이 과정에서 에너지는 더 많은 자유도를 가진 형태로 퍼지며, 에너지가 한곳에 집중된 상태에서 공간적으로 널리 퍼진 상태로 이동하고 이러한 분산이 바로 엔트로피 증가입니다.

말씀해주신 것처럼 왜 커피가 주변 온도보다 더 차갑게 저절로 식지 않는지에 대해 말씀드리자면 이 상황이 일어나려면, 주변의 차가운 분자들이 우연히 동시에 에너지를 모아 커피 분자들에게 전달해야 합니다. 분자 하나 수준에서는 이런 일시적인 에너지 이동이 미세하게 일어날 수 있지만, 커피처럼 엄청난 수의 분자가 포함된 거시적 계에서는 그러한 방향 정렬이 동시에 일어날 확률이 사실상 0에 가까운 것입니다. 감사합니다.