자연계열 1번

(가) 전 우주를 하나의 큰 계로 볼 때 우주는 한 가지 중요한 법칙을 지키며 시간에 따라 변해 간다. 즉 온 우주 전체의 질서가 시간이 지남에 따라 깨어지므로, 무질서도가 증가하는 방향으로 진행되어 가며 나이를 먹어간다. 이 법칙을 열역학 제2법칙이라 부른다. 열역학 제2법칙은 계의 크기와는 관계없이 외부와 완전히 차단된 고립된 어떤 계에서도 성립하는 법칙이다. 즉 외부와 완전히 차단된 계의 무질서도는 항상 증가하는 방향으로 변화해간다. 열/통계물리학에서는 이러한 무질서의 정도를 나타내는 양으로 엔트로피를 사용한다.

오스트리아 물리학자 볼츠만(Boltzmann)은 엔트로피 $\displaystyle S$를 $\displaystyle S=k_B\log W$로 통계적으로 정의하였다. 여기서 $\displaystyle k_B$는 볼츠만 상수이며, $\displaystyle W$는 계의 내부에너지 변화 없이 계를 배열시킬 수 있는 방법의 수 또는 통계적으로 경우의 수이다. 따라서 $\displaystyle W$가 클수록, 무질서도인 엔트로피가 커진다.

열역학 제2법칙의 간단한 예를 들면, 한 방안에서 향수병의 뚜껑을 열면 병으로부터 나온 향수분자가 방 전체로 퍼져가는 것을 알 수 있다. 그러나 그 퍼져간 향수분자가 다시 향수병 안으로 모이는 현상은 있을 수 없다. 또 물속에 떨어진 잉크방울이 시간이 지남에 따라 물 전체로 확산해 가는 것을 볼 수 있다. 그러나 그 잉크입자들이 다시 한 방울로 모이는 현상 또한 있을 수 없다.

위의 두 예를 이해하기 위해 다음 그림과 같이 두 개의 방으로 이루어진 간단한 모델을 생각해보자.

두 개의 방이 단열칸막이로 나누어져 있으며 이 두 방은 외부와 완전히 고립되어 있다고 가정하자. 칸막이를 열기 전에 한 방에는 $\displaystyle N$개의 기체분자가 있고 다른 한 방은 비어있다 (상태 A). 칸막이를 열었다 닫았다하면서 칸막이를 닫았을 때의 각 방의 기체분자의 수를 조사하면 기체분자의 시간에 따른 분포를 볼 수 있다. 오랜 시간을 지나면 기체분자가 두 방에 골고루 퍼지므로 이때 칸막이를 닫으면 기체분자는 각 방에 같은 수 (즉 $\displaystyle N/2$) 로 나누어 질 것이다 (상태 C). 칸막이 열기 전 (상태 A)에서 마지막 상태(상태 C)로 진행되어 감에 따라 각 상태에서 기체분자들이 두 방에 배열될 수 있는 경우의 수는 변해 갈 것이다. 여기서 상태 B는 상태 A에서 상태 C로 변해가는 상태 중에 하나이다.

(나) 아래 그림처럼 인간을 포함한 동식물의 모든 생명체는 질서정연한 각각의 형태를 유지함으로써 아름다운 자연생태계를 유지한다. 각 생물체는 시간이 지남에 따라 그 형태는 조금씩 변형되어 가나 그 형태질서는 생명이 다하는 시간까지 지속된다. 그러나 생명이 끝남과 동시에 급속도로 그 형태질서가 파괴되어가는 것을 알 수 있다. 또한 인류 문명은 정교하며 잘 정돈된 건축물을 건설함으로 편리하면서 경관이 좋은 생활환경을 만들어 간다. (아래의 그림 참조) 그러나 버려진 고대문명의 유적지를 살펴보면 그 형태를 거의 알아 볼 수 없을 정도로 파괴되어 폐허가 된 것을 볼 수 있다.

이러한 지구상에서 일어나는 인류문명과 생명현상을 포함한 자연현상들 또한 열역학 제2법칙을 따른다.