물방울의 에너지는 어디로 갔을까? (열역학 제2법칙과 비가역 현상)






* 위 시뮬레이션에서 입자 사이의 인력은 고려하지 않았습니다.

물방울의 에너지는 어디로 갔을까?

물방울의 자유 낙하를 생각해 봅시다. 거시적인 관점에서, 떨어지는 물방울은 시간에 따라 위치가 바뀝니다. 이 경우 우리는 물방울이 운동한다고 말하고, 그 운동에너지(\( =\frac{1}{2} m\upsilon^{2} \))를 계산할 수 있습니다.
이 물방울이 바닥에 부딪치면, 물 분자들의 운동방향은 완전히 랜덤하게 바뀝니다. 이제 물방울은 바닥에 정지해 있으므로 운동에너지는 ‘0’이 됩니다. 이제 물방울의 에너지는 입자들의 평균 운동 에너지(절대 온도에 비례하는 값)로만 계산할 수 있습니다. 개별 입자의 운동 에너지는 통계적인 분포로만 다룰 수 있습니다.
결국, 물방울의 운동 에너지는 열에너지로 전환된 것입니다.

비가역 현상

진공 중에서 운동하는 소립자와 같이 원래의 상태로 돌아올 수 있는 현상을 ‘가역 현상’이라고 합니다.
하지만, 대부분의 자연 현상은 오직 한쪽 방향으로만 일어나는 ‘비가역 현상’입니다.

위 물방울의 예를 들어봅시다. 바닥에 떨어진 물방울이 열에너지를 이용해 스스로 뛰어 오를 수 있을까요?
만약, 많은 물 분자들이 한쪽 방향으로 운동한다면 물방울은 뛰어 오를 수도 있습니다. 하지만 물 분자들은 각자 무질서한 운동을 하므로 이러한 일은 일어나지 않습니다. (가능성이 거의 ‘0’이라고 말합니다.)
이와 같이 대부분의 자연 현상은 한쪽 방향으로만 일어나는 비가역 현상입니다.