엔트로피
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열역학적 엔트로피(entropy)는 열역학적 계의 상태 함수 가운데 하나로 독일의 물리학자 루돌프 클라우지우스가 1850년대 초에 엔트로피의 수학적 개념을 도입했다. 자연계는 엔트로피가 낮은 상태에서 높은 상태인 무질서로 변화한다.
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[편집] 열역학적 정의
실제로 외부적인 일을 할 수 있는 에너지를 "유용한 에너지", 존재하지만 외부적인 일을 하는 데에 쓰일 수 없는 에너지를 "사용불가능한 에너지"라고 한다. 계의 총 에너지를 "유용한 에너지"와 "사용불가능한 에너지"의 합으로 정의 할 때, 엔트로피는 전체 에너지에서 차지하는 비율이 주어진 계의 절대온도에 정비례하는 "사용불가능한 에너지"의 일종으로 볼 수 있다. 깁스 자유에너지 또는 헬름홀츠 자유에너지와의 관계식에서 "TS" 로 나타나는것을 생각해보라.
엔트로피는 열량의 함수로써, 주어진 열이 일로 전환될 수 있는 가능성을 나타낸다. 예를 들어 같은 크기의 열량이라도 고온의 계에 더해졌을 때보다 저온의 계에 더해졌을 경우에 계의 엔트로피가 크게 증가한다. 따라서 엔트로피가 최대일 때 열에너지가 일로 전환될 수 있는 가능성은 최소이고, 반대로 엔트로피가 최소일 때 열에너지가 일로 전환될 수 있는 가능성이 최대가 된다.
열역학적 관점에서 엔트로피 S는 직접적으로 정의되지 않으며, 엔트로피의 변화량과 계의 열량 변화의 관계를 나타내는 식으로 표현된다. 온도가 일정하게 유지될 때, 엔트로피의 변화 ΔS는 다음의 식으로 정의된다.
ΔQ는 등온 가역과정에서 계에 가해진 열량이며, T는 과정이 일어나는 동안 계에 일정하게 유지되는 절대온도이다. 계의 온도가 일정하지 않다면, 관계식은 다음의 미분식으로 나타난다.
이 식이 의미하는 바를 이해하기 위하여, 온도 T가 열량 Q에 대한 함수 , 즉 T(Q)로 나타난다고 가정하자. 그렇다면 열량 변화에 따른 총 엔트로피의 변화는 다음과 같다.
A는 열량이 변화하는 범위를 나타낸다.
엔트로피는 계의 자유에너지를 결정짓는 요소중의 하나이다. 온도는 평형상태에 있는 계에서만 정의되는 값이므로, 이와 같은 엔트로피의 열역학적인 정의는 오직 평형상태에 있는 계에서만 성립한다. 반면 통계역학적인 엔트로피의 정의는 모든 계에 적용된다(아래참고). 따라서 엔트로피의 보다 근본적인 정의로는 통계역학적인 정의를 꼽을 수 있다. 엔트로피의 증가는 흔히 분자들의 무질서도의 증가로 정의되어 왔으며, 최근들어 엔트로피는 에너지의 "분산"으로 해석되고 있다.
[편집] 통계역학적 정의
볼츠만은 엔트로피를 다음과 정의하면 열역학저인 엔트로피의 정의와 동등하면서 여러가지 상황에 적용할 수 있다는 사실을 밝혀냈다. :
여기서 kB 는 볼츠만 상수이고, Ω는 계가 가질 수 있는 가능한 (미시적인) 상태의 가지수이다.
[편집] 블랙홀에서의 엔트로피
블랙홀의 엔트로피는 블랙홀의 표면적에 비례하는 것으로 정의된다. 열역학 제2법칙에 따라서 '고전적'으로 볼때에 블랙홀의 표면적은 증가하기만 한다. 하지만 호킹 복사에 따라서 블랙홀의 표면적이 줄어들 수도 있다.
[편집] 성질
STR은 특정 온도 TR에서 시스템의 에너지 중에서 일로 변환할 수 없는 에너지를 나타낸다. 따라서 전체 에너지에서 STR를 뺀 양이 자유 에너지가 된다.
