Entropy   엔트로피 , 무질서도

(2023-11-21)

Entropy , 엔트로피 , 무질서도


1. 엔트로피 (Entropy, S) 이란?

  ㅇ [일반]
     - 무질서(Disorder) 또는 불확실성(Uncertainty)에 대한 량(값)

  ㅇ [통신이론/정보이론]
     - 정보원(Information Source)의 평균 정보량 (평균적 불확실량)

  ㅇ [열역학]  
     - 무질서의 척도
        . 완전한 질서 상태이면, 엔트로피 S = 0

     - 물질열역학적 상태를 나타내는 물리량 중 하나
        . 엔트로피상태함수 임. 즉, 경로에는 무관 함.

     * 1865년, 클라우지우스(1822~1888, 독일 이론물리학자)가, 열역학 제2법칙을 제안하고, 
        . 이를 통일적으로 설명하기 위해, 엔트로피 라는 새로운 물리량을 제안하게 됨


2. [열역학]  엔트로피의 의미

  ㅇ ①  의 무질서의 정도를 나타내는 양(量)
     - 무질서(disorder)할수록, 무작위성(randomness)이 커질수록, 에너지 상태 분산이 다양해질수록,
       엔트로피가 증가함

     * 한편, 엔트로피 증가에 관한 법칙은, ☞ 열역학 제2법칙 참조
       - (엔트로피 증가의 법칙) 모든 자연현상은 엔트로피가 증가하는 방향으로 만 일어난다는 법칙

  ㅇ ②  입출입하는 열량의 이용가치를 나타내는 양(量)
     - 의 입출입에 따라 수반되는 변화를 나타냄

     * 따라서, 거시적 성질(온도,부피,압력 등)이 변화하면, 엔트로피도 변하게 됨


3. [열역학]  엔트로피의 정의 : 온도 관점

  ※ `단위 온도의 입출입 량`으로써 정의함
      
[# ΔS = \frac{δQ}{T} #]
[J/K] - S : 엔트로피 . (어떤 계에 열이 들어오는 경우, 증가하는 엔트로피 ΔS) - δQ : ,로써 전달된 에너지 (열 전달량) [J] - T : 절대온도 [K] ※ 자연 현상은, - 높은 온도에서 낮은 온도로 전달되는, 한쪽 방향으로 진행되는 일방성을 갖음 4. [열역학] 엔트로피의 정의 : 확률 관점 (통계 역학)엔트로피확률과의 관계로써 정의함 : 볼츠만 (1877) ☞ 볼츠만 분포 참조 - `분자 수준의 엔트로피`와 `거시적 수준의 열역학확률` 사이의 함수 관계를 보임 ㅇ 어떤 의 유효한 위치 또는 에너지 준위들의 배열 방법의 수를 나타내는 열역학적 상태함수 ㅇ 볼츠만 관계식 - 주어진 열역학적 상태에 대한 엔트로피가, - 미시적인 상태의 수(분자들의 배열 방법의 수)의 로그(log)에 비례함을 보임
[# S = k \ln W #]
. S : 배열 엔트로피 (Configurational Entropy) . k : 볼츠만 상수 . ln : 로그함수 . W : 계의 미시적인 상태의 수 (입자 배열 방법의 수) ※ 자연 현상은, - 무질서하게 되는 (엔트로피가 증가하는) 방향으로 진행됨 - 여기서, 엔트로피는 무질서의 척도 임 5. [열역학] 엔트로피의 변화 ㅇ 열을 가하거나 빼았을 때의 엔트로피 변화
[# ΔS = \int^{T_2}_{T_1} \frac{CdT}{T} = C \int^{T_2}_{T_1} \frac{dT}{T} = C \ln \frac{T_2}{T_1} #]
- (C : 계의 열용량, 관심영역에서 일정함) - (의미) 열적 무질서(thermal disorder)의 증가/감소 ㅇ 등온 팽창,수축할 때의 엔트로피 변화
[# ΔS = nR \ln \frac{V_2}{V_1} = nR \ln \frac{P_2}{P_1} #]
- (의미) 위치 무질서(positional disorder)의 증가/감소 6. [열역학] 엔트로피 변화(증감)의 부호 => 자발적 과정의 방향과 관련됨자발적 과정이 (흡열 과정)으로 일어날 때, - 내부에서 엔트로피의 증가가 나타남 - 주위에서 엔트로피의 감소가 나타남 * 例) 0℃ 이상의 온도에서, 얼음이 자발적으로 녹으며, 흡열 현상이 나타남 ㅇ 자발적 과정이 (발열 과정)으로 일어날 때, - 내부에서 엔트로피의 감소가 나타남 - 주위에서 엔트로피의 증가가 나타남 * 例) 0℃ 이하의 온도에서, 은 자발적으로 얼으며, 발열 현상이 나타남

열역학 2법칙
   1. 열역학 2법칙   2. 엔트로피   3. 자발적 과정  


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