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물리:엔트로피 [2016/08/17 11:17] – [고립계의 엔트로피 증가] admin | 물리:엔트로피 [2023/09/05 15:46] (current) – external edit 127.0.0.1 | ||
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======열역학에서 엔트로피의 소개====== | ======열역학에서 엔트로피의 소개====== | ||
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따라서 임의의 가역적인 순환 과정 $C$를 [[물리: | 따라서 임의의 가역적인 순환 과정 $C$를 [[물리: | ||
$$\oint_C \frac{\delta Q_{\rm rev}}{T} = 0$$ | $$\oint_C \frac{\delta Q_{\rm rev}}{T} = 0$$ | ||
- | 이 된다. rev는 [[물리: | + | 이 된다. rev는 [[물리:비가역성|가역]]적으로 주고 받은 열임을 강조하기 위한 표시이다. |
상태 공간 상에서 임의의 닫힌 궤도 $C$에 대해 위의 등식이 만족한다는 것은 어떤 [[물리: | 상태 공간 상에서 임의의 닫힌 궤도 $C$에 대해 위의 등식이 만족한다는 것은 어떤 [[물리: | ||
- | 상태 공간 상의 두 점 $A$와 $B$에서의 차이 $\Delta S$는, 둘을 잇는 임의의 [[물리: | + | 상태 공간 상의 두 점 $A$와 $B$에서의 차이 $\Delta S$는, 둘을 잇는 임의의 [[물리:비가역성|가역]] 과정을 찾아낸 후에 |
[[수학: | [[수학: | ||
$$\Delta S = S_B - S_A = \int_A^B \frac{\delta Q_{\rm rev}}{T}.$$ | $$\Delta S = S_B - S_A = \int_A^B \frac{\delta Q_{\rm rev}}{T}.$$ | ||
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첫 번째는 동역학적 관점을 배제하고 [[물리: | 첫 번째는 동역학적 관점을 배제하고 [[물리: | ||
- | 그러나 이로부터 막의 존재를 아예 가정하지 않은 채로 입자가 한 쪽에 몰려있는 [[물리: | + | 그러나 이로부터 막의 존재를 아예 가정하지 않은 채로 입자가 한 쪽에 몰려있는 [[물리: |
두 번째 해결책은 아래에 소개될 통계역학적인 엔트로피 해석을 끌어들이는 것이다. 즉 계의 동역학은 다양한 미시 상태들을 방문하는 것으로서 특이한 동역학적 구속 조건 없이 모든 상태를 고르게 방문한다고 가정한다. 어떤 거시 상태는 작은 수의 미시 상태만을 가지고 있고, 또 어떤 거시 상태는 매우 많은 미시 상태에 해당할 수 있다. 가정대로 계가 미시 상태를 임의로 방문하는 동역학을 따른다면, | 두 번째 해결책은 아래에 소개될 통계역학적인 엔트로피 해석을 끌어들이는 것이다. 즉 계의 동역학은 다양한 미시 상태들을 방문하는 것으로서 특이한 동역학적 구속 조건 없이 모든 상태를 고르게 방문한다고 가정한다. 어떤 거시 상태는 작은 수의 미시 상태만을 가지고 있고, 또 어떤 거시 상태는 매우 많은 미시 상태에 해당할 수 있다. 가정대로 계가 미시 상태를 임의로 방문하는 동역학을 따른다면, | ||
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=====고립계의 엔트로피 증가===== | =====고립계의 엔트로피 증가===== | ||
- | 상태 $A$에서 $B$로 가는 과정 $t_1$이 [[물리: | + | 상태 $A$에서 $B$로 가는 과정 $t_1$이 [[물리:비가역성|비가역적]]이라고 해보자. |
- | 거꾸로 $B$에서 $A$로 돌아오는 [[물리: | + | 거꾸로 $B$에서 $A$로 돌아오는 [[물리:비가역성|가역]] 과정 $t_2$가 존재한다고 가정하면, |
$$\int_{A, | $$\int_{A, | ||
이다. 좌변의 두 번째 항은 다름 아닌 $S(A) - S(B)$이다. 따라서 | 이다. 좌변의 두 번째 항은 다름 아닌 $S(A) - S(B)$이다. 따라서 | ||
$$S(B) - S(A) \ge \int_{A, | $$S(B) - S(A) \ge \int_{A, | ||
이다. 만일 계가 열적으로 고립되어 있다면 $\delta Q = 0$이고 따라서 우변 전체가 $0$이 되면서 $S(B) \ge S(A)$를 얻는다. | 이다. 만일 계가 열적으로 고립되어 있다면 $\delta Q = 0$이고 따라서 우변 전체가 $0$이 되면서 $S(B) \ge S(A)$를 얻는다. | ||
- | 정리하면, | + | 정리하면, |
즉 어떤 경우든 열역학에서 다루는 고립계의 엔트로피가 감소하지는 않는다. | 즉 어떤 경우든 열역학에서 다루는 고립계의 엔트로피가 감소하지는 않는다. | ||
Line 58: | Line 58: | ||
그러나 다른 한편으로 통계역학적 배경 없이 열역학만을 논리적으로 구축하겠다는 시도도 있다. 이것이 소위 `엄밀한(rigorous)' | 그러나 다른 한편으로 통계역학적 배경 없이 열역학만을 논리적으로 구축하겠다는 시도도 있다. 이것이 소위 `엄밀한(rigorous)' | ||
+ | =====예제===== | ||
+ | |||
+ | 두 물체 $A$와 $B$가 있다. 두 물체는 각기 온도와 무관하게 열용량 $C_A$와 $C_B$를 가지며 초기 온도는 $T_A$와 $T_B$이다. 두 물체 사이에서 [[물리: | ||
+ | $$ dS = \frac{\delta Q_A}{T_A} + \frac{\delta Q_B}{T_B} = C_A \frac{dT_A}{T_A} + C_B \frac{dT_B}{T_B}=0$$ | ||
+ | 이고, 따라서 두 물체의 최종 온도를 $T_f$라고 한다면 | ||
+ | $$\int_{T_A}^{T_f} C_A \frac{dT_A}{T_A} + \int_{T_B}^{T_f} C_B \frac{dT_B}{T_B} = C_A \ln \frac{T_f}{T_A} + C_B \ln \frac{T_f}{T_B} = 0$$ | ||
+ | 이다. 이를 정리하면 | ||
+ | $$T_f = T_A^{\frac{C_A}{C_A+C_B}} T_B^{\frac{C_B}{C_A+C_B}}$$ | ||
+ | 를 얻는다. 물체 하나만의 엔트로피 변화를 본다면 | ||
+ | $$\Delta S_A = C_A \ln \frac{T_f}{T_A} = \frac{C_A C_B}{C_A + C_B} \ln \frac{T_B}{T_A} = -\Delta S_B$$ | ||
+ | 가 된다. | ||
+ | |||
+ | 완전히 [[물리: | ||
+ | $$T_f^{\rm irr} = \frac{C_A T_A + C_B T_B}{C_A + C_B}$$ | ||
+ | 를 얻었을 것이다. $T_A \neq T_B$인 한, 일반적으로 $T_f < T_f^{\rm irr}$이 성립한다. | ||
+ | |||
+ | 이런 [[물리: | ||
+ | 먼저 열용량이 $C_a$인 또다른 물체 $a$을 가져오는데, | ||
+ | $A$와의 사이에서 [[물리: | ||
+ | $$\Delta S_A = C_A \ln \frac{T_f^{Aa}}{T_A} = C_A \ln \frac{T_f^{\rm irr}}{T_A}$$ | ||
+ | 이다. | ||
+ | 마찬가지로 물체 $B$도 열용량이 $C_b$인 물체 $b$와 [[물리: | ||
+ | $$\Delta S_B = C_B \ln \frac{T_f^{Bb}}{T_B} = C_B \ln \frac{T_f^{\rm irr}}{T_B}$$ | ||
+ | 만큼의 엔트로피 변화를 겪게 된다. 따라서 $A$와 $B$의 총 엔트로피 변화는 | ||
+ | $$\Delta S_A + \Delta S_B = C_A \ln \frac{T_f^{\rm irr}}{T_A} + C_B \ln \frac{T_f^{\rm irr}}{T_B} = (C_A+C_B) \ln \frac{T_f^{\rm irr}}{T_f}$$ | ||
+ | 인데 $T_f < T_f^{\rm irr}$이기 때문에 이 양은 일반적으로 양수이다. | ||
+ | |||
+ | 물체에 (비가역적으로) 전달된 열 $\delta Q^{\rm irr}$를 온도로 나눔으로써 바로 엔트로피 변화를 구할 수 있다고 가정하면 | ||
+ | $$\int \frac{\delta Q^{\rm irr}_A}{T_A} + \int \frac{\delta Q^{\rm irr}_B}{T_B} = C_A \int_{T_A}^{T_f^{\rm irr}} \frac{dT_A}{T_A} + C_B \int_{T_B}^{T_f^{\rm irr}} \frac{dT_A}{T_B}$$ | ||
+ | 와 같은 계산을 하게 되는데, 결과적으로는 동일하다. | ||
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======참고문헌====== | ======참고문헌====== | ||
- | * Robert J. Hardy and Christian Binek, | + | * Robert J. Hardy and Christian Binek, |
- | * I. Sachs, S. Sen, and J. C. Sexton, | + | * I. Sachs, S. Sen, and J. C. Sexton, |
- | * André Thess, | + | * André Thess, |
* Daan Frenkel, [[http:// | * Daan Frenkel, [[http:// | ||
* Frank L. Lambert, [[http:// | * Frank L. Lambert, [[http:// | ||
- | * Sharon Glotzer, [[https:// | + | * Sharon Glotzer, [[https:// |
+ | * Greiner, Neise, and Stöcker, // | ||