엔트로피

정의

엔트로피는 열역학에서 방향성과 비가역성을 설명하는 상태량이다.

가역 과정에서 전달된 열량 δQ를 절대온도 T로 나눈 값으로 정의된다.

엔트로피는 상태 함수라서 시작과 끝 상태만으로 값이 정해진다.

방향을 정하는 이유

열역학 제1법칙은 열과 일의 합이 보존된다고만 말한다.

그런데 열은 고온에서 저온으로 흐를 수 있고, 그 역은 자발적으로 일어나지 않는다.

이 방향성을 나타내는 상태량이 엔트로피다.

계산 예

1 kg의 냉매가 300 K에서 30 kJ의 열을 가역적으로 받는 예를 풀어 보자.

등온 가역 과정이므로 ΔS는 Q를 T로 나눈 값이다.

30을 300으로 나누면 0.1 kJ/K이다.

단위는 kJ/K로 정리하고, 열을 받았으므로 엔트로피는 증가한다.

온도차가 있는 열전달

이번에는 310 K 고온 물체에서 300 K 저온 물체로 같은 30 kJ이 흐르는 경우다.

고온 물체는 -0.0968, 저온 물체는 0.1 kJ/K의 엔트로피 변화를 가진다.

두 값을 더한 우주 전체 엔트로피 변화는 0.0032 kJ/K로 양수다.

양수이므로 이 열전달은 비가역 과정이다.

시험에서 자주 틀리는 점

흔한 실수는 세 가지다. 먼저 엔트로피 변화를 열량으로 착각하는 것이다.

엔트로피는 상태 함수이므로, 비가역 과정에서 실제 전달 열을 T로 나누면 안 된다.

둘째, 계의 엔트로피 변화와 계와 주위를 합친 전체 변화를 혼동하면 안 된다.

셋째, 제2법칙은 엔트로피가 항상 증가한다는 뜻이 아니라 고립계가 감소하지 않는다는 뜻이다.

그럼 직접 풀어 보자. 지금 답을 골라 보자.

정리

정답은 0이다. 한 바퀴 돌아 처음 상태로 돌아오면 상태 함수 값은 같다.

정리하면 엔트로피는 가역 과정의 δQ를 T로 나눈 상태 함수다.

가역 과정은 계와 주위의 변화가 상쇄되어 전체 엔트로피 변화가 0이 된다.

비가역 과정은 전체 엔트로피를 증가시키며, 이것이 제2법칙의 핵심이다.

냉동 사이클 해석에서도 엔트로피 생성으로 실제 COP가 카르노 COP보다 낮은 이유를 설명한다.