엔트로피-면접자료

고등학생인 재원이는 물리의 열역학 부분을 공부하면서 다음과 같은 사실을 알게 됐다.

 

 

엔트로피는 물질계가 흡수하는 열량 dQ와 절대온도 T와의 비 dS = dQ/T로 정의한다. 여기서 dS는 물질계가 열을 흡수하는 동안의 엔트로피 변화량이다. 엔트로피는 일반적으로 현상이 비가역과정인 자연적 과정을 따르게 될 때에는 증가하고 자연적 과정에 역행할 때에는 감소하는 성질이 있다. 예를 들어 폭포수에서 물이 떨어지면 낙차에 비례하는 열이 발생해 물의 온도가 상승하므로 엔트로피는 증가하게 된다.

1) 에너지 보존법칙의 한부분인 열역학 제1법칙을 이전 시간에 배웠던 승우는 혼란스러웠다. 어차피 우주의 에너지 총량이 변하지 않는다면 굳이 에너지 절약을 위해 노력할 이유가 없기 때문이다. 물리교사의 입장에서 재원이에게 설명할 수 있는 사례와 원리를 말해 보라.

2) 재원이는 이 이론에 대해 깊이 생각해본 후에 갈수록 환경문제가 심각해지고 있는 지구의 엔트로피를 감소시키기 위해 등산할 때마다 산 아래쪽에 있는 돌멩이를 주워서 산 정상에 옮기기로 마음먹었다. 그리고 주위 친구들에게 물건들을 항상 높은 위치로 올려놓으라고 알려줬다. 재원이의 이런 생각에 대해 비판하라.

 

 

 

 

해설 및 모범답안

1) 온도 4백K인 물체에서 3백K인 물체로 1cal의 열이 이동했을 때 열에너지는 보존된다. 그러나 고온 물체의 엔트로피 감소량( 1/400)은 저온 물체의 엔트로피 증가량(1/300)보다 작으므로 시스템 전체의 엔트로피는 증가한다. 이를 에너지의 유용성으로 설명해보겠다. 석탄과 석유와 같은 화석연료에는 태양에너지가 광합성에 의해 전환된 화학적 에너지가 저장돼 있는데, 이런 형태의 에너지는 쉽게 열에너지로 전환될 수 있다. 하지만 대기와 지표면에 화학적 에너지가 연소에 의해 변한 열에너지는 물의 증발 등 낮은 확률의 사례 외에는 다른 형태의 에너지로 전환되기 힘들다.

 

2) 높은 곳으로 옮겨진 돌멩이나 물체만 놓고 보면 역학적 에너지가 증가하므로 에너지의 유용성도 증가한다. 그러나 그런 변화를 일으킨 사람을 포함한 시스템 전체(예를 들어 지구)를 생각한다면 승우의 생각에는 오류가 있다. 왜냐하면 물체의 위치를 증가시키기 위해 인체 내의 생화학적 에너지가 근육의 수축과 이완에 의해 역학적 에너지로 전환돼야 하는데, 이 과정은 에너지 효율 100%가 아니다. 생화학적인 의미에서의 호흡은 미토콘드리아 또는 엽록체에서 이뤄지는 에너지대사를 말한다. 화학적인 기질의 산화환원작용에 의해 생화학적 에너지, 주로 ATP(아데노신 3 인산)를 얻는 것인데, ATP는 빛이나 열로 바뀌어 생체 기능을 유지하는 데 사용된다. 승우가 등산을 하기 위해, 또는 친구들이 물체를 높은 곳으로 올려놓기 위해서는 역학적 에너지 증가량 이상으로 생화학적 에너지를 소모하며 그 과정에서 열이 발생되기 때문에 엔트로피는 증가한다.

 

 

 

 

출처 : 과학동아