열역학 제2법칙에서 엔트로피 증가는 시간의 방향을 어떻게 설명하나요?

Question

열역학 제2법칙에서 엔트로피 증가와 시간의 방향이 궁금합니다. 엔트로피 정의, 미시 상태도 알려주세요. 가역 과정, 비가역 과정, 열 죽음, 맥스웰 도깨비, 정보 엔트로피도 궁금합니다. 볼츠만 식, 열기관 효율, 카르노 사이클, 우주 초기 상태, 생명 현상, 무질서도, 깁스 자유에너지, 열평형, 확률 해석, 사고 실험, 교양서, 시험 문제도 알고 싶습니다

Answer 1

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

볼츠만은 엔트로피를 S = k ln W로 정의했어요. W는 겉으로 같은 상태를 만드는 원자 배열, 즉 미시 상태의 가짓수예요. 동전 100개를 던졌을 때 전부 앞면인 배열은 1가지뿐이지만, 앞뒤가 반반인 배열은 약 10의 29제곱 가지예요. 아무렇게나 섞으면 거의 반드시 반반 근처로 가고, 원자가 10의 23제곱 개쯤인 실제 물질에서는 그 쏠림이 압도적이라 거꾸로 가는 일을 볼 일이 없어요.

원자 하나하나의 운동 법칙은 시간을 거꾸로 돌려도 똑같이 성립해요. 그래서 시간의 방향은 법칙 자체가 아니라 확률에서 생기고, 오늘 엔트로피가 늘어나려면 과거가 더 낮았어야 해요. 우주가 빅뱅 때 엔트로피가 아주 낮은 상태로 출발했다는 가정이 시간의 화살을 받쳐줘요.

맥스웰의 도깨비는 빠른 분자만 골라 문을 열어 엔트로피를 줄이는 사고 실험인데, 관찰 기록 1비트를 지울 때마다 최소 kT ln2의 열이 나와 전체 엔트로피는 늘어나요. 정보 엔트로피와 열역학 엔트로피가 여기서 만나요 :)