엔트로피와 확률

엔트로피와 확률   고등 교과서 물리2       자연 현상의 비가역성과 확률   자연 현상이 비가역적으로 진행하면서 엔트로피(무질서도)가 증가하는 것이 무엇을 의미하는지 생각 해 보자.         ［미니 탐구］ 자연 현상의 비가역성과 확률   그림 ㉮와 같이 두 개의 방 A, B로 구분된 용기의 방 A에 N개의 기체를 채우고 방 B는 진공으로 한 다 음 밸브를 열면, 잠시 후 그림 ㉯와 같이 기체가 두 방에 고르게 분포하게 될 것이다. 기체 분자들의 운동은 무질서하므로 각 분자들이 한쪽 방에 존재할 확률은 각각 이다. 따라서 기체 분자들이 방 A에만 모여 있을 확률은 이다. P는 기체 분자 수가 많을수록 작아진다. 실제로 우리가 사는 세상에서 분자 수는 1023개(1 mol 수준) 정도이므로 P는 0에 가깝고, 이러한 일은 결코 일 어나지 않는다는 것을 의미한다.                ⓒ (주)천재교육 | BY-NC-ND     Q1. 기체 분자가 어느 한쪽 방에 존재할 확률과 양쪽 방에 골고루 존재할 확률 중 어느 쪽이 더 큰가?   양쪽 방에 골고루 존재할 확률이 더 크다.     Q2. 비가역적인 자연 현상이 진행하는 방향을 확률로 설명해 보자.   비가역적인 자연 현상은 확률이 큰 쪽으로 진행한다. 이는 곧 엔트로피가 증가하는 쪽으로 진행한다는 것을 의미한다.         엔트로피와 확률                기체 분자들이 좁은 영역에 모여 있을 수 있는 상태의 수보다 넓은 영역에 퍼져 있을 수 있는 상태의 수가 훨씬 더 많다. 그래서 기체 분자들이 한쪽 방에 모여 있을 때의 엔트로피보다 양쪽 방에 퍼져 있 을 때의 엔트로피가 훨씬 더 크다. 즉, 기체 분자들은 엔트로피가 증가하는 쪽으로 퍼져 나간다. 양쪽 방으로 흩어진 기체 분자들을 다시 한쪽 방으로 모으기 위해서는 외부에서 에너지를 투입하여야 한다. 즉, 외부 에너지로 기체 분자를 한쪽 방으로 모아 주는 일을 해 주면 엔트로피를 줄일 수 있다. 그러나 이러한 경우에도 외부에서 투입된 에너지까지 포함한 전체 엔트로피는 감소하지 않는다.     관련문제     난이도 중 01.그림은 뚜껑이 열린 향수병에서 향기가 퍼지는 현상에 대해 철수, 영희, 민수가 대화하는 모습을 나타낸 것이다. 옳게 말한 사람만을 있는 대로 고른 것은?     1. 철수 2. 민수 3. 철수, 영희 4. 영희, 민수 5. 철수, 영희, 민수   정답 및 해설         난이도 상 02.그림과 같이 외부로부터 단열시킨 상자를 칸막이로 반씩 나누어 한쪽에만 이상 기체를 채웠다. 이 칸막이를 치웠을 때 나타나는 현상으로 옳은 것만을 〈보기〉에서 있는 대로 고른 것은?     ㄱ. 온도는 변하지 않는다. ㄴ. 내부 에너지는 증가한다. ㄷ. 외부에 일을 해 준다. ㄹ. 비가역 과정이다.   1. ㄱ, ㄷ 2. ㄱ, ㄹ 3. ㄴ, ㄷ 4. ㄴ, ㄹ 5. ㄷ, ㄹ   정답 및 해설