왜 열은 한쪽으로만 흐를까?

그때 그곳

열은 뜨거운 데서 찬 데로 흐릅니다. 반대로는 저절로 흐르지 않습니다. 너무 당연해서 아무도 이것을 법칙으로 적지 않았습니다.

그런데 19세기 중반, 두 결과가 서로 어긋나 보이는 상황이 생겼습니다. 카르노는 1824년에 열기관의 효율에 넘을 수 없는 한계가 있다는 것을 보였는데, 그 계산은 열이 양을 유지한 채 높은 데서 낮은 데로 흐른다는 가정 위에 있었습니다. 반면 줄은 열이 일로 바뀐다는 것, 즉 열은 보존되지 않는다는 것을 보였습니다.

둘 다 맞는 것 같은데 전제가 반대였습니다.

왜 이 질문이었나

클라우지우스는 1850년에 둘을 화해시켰습니다.

에너지는 보존된다. 여기까지는 줄이 맞습니다. 그러나 에너지의 양과 별개로, 그 에너지가 얼마나 흩어져 있느냐가 따로 있다. 카르노가 본 한계는 이 두 번째 것 때문에 생깁니다.

그는 열이 저절로 찬 데서 뜨거운 데로 흐르는 일은 없다는 것을 원리로 세웠습니다. 이것이 열역학 제2법칙입니다.

1865년, 그는 그 '흩어진 정도'에 이름을 붙였습니다. 주고받은 열량을 그때의 온도로 나눈 값이 고립된 계에서 결코 줄어들지 않는다는 것을 보이고, 이 양을 엔트로피라 불렀습니다. 그리스어로 변화를 뜻하는 말에서 따왔고, 에너지와 소리가 닮게 일부러 만들었다고 그는 적어두었습니다.

알아낸 것

같은 논문 끝에 그는 두 문장을 나란히 놓았습니다. 우주의 에너지는 일정하다. 우주의 엔트로피는 최대를 향한다.

제1법칙은 아무것도 잃지 않는다고 말하고, 제2법칙은 그런데 쓸 수 있는 형태는 계속 줄어든다고 말합니다. 뜨거운 커피가 식으면 그 에너지는 사라지지 않고 방 안에 그대로 있습니다. 다만 이제 그 열로는 아무 일도 시킬 수 없습니다.

이 법칙에는 방향이 있습니다. 물리 법칙은 대부분 시간을 거꾸로 돌려도 그대로 성립합니다. 공이 날아가는 영상을 거꾸로 틀어도 물리적으로 이상하지 않습니다. 그런데 컵이 깨지는 영상을 거꾸로 틀면 이상합니다. 그 이상함이 어디서 오는지가 여기서 물음이 됩니다.

30년쯤 뒤 볼츠만이 엔트로피를 확률로 다시 설명합니다. 흩어진 상태가 뭉친 상태보다 압도적으로 가짓수가 많기 때문이라는 것이었습니다.

이 카드에 나온 말

엔트로피열역학 제2법칙네겐트로피