WEBVTT

00:00:06.875 --> 00:00:10.453
화학과 물리학에
매우 중요한 개념이 있습니다.

00:00:10.453 --> 00:00:15.293
이는 물리과정이 왜 한 쪽으로만
진행하는지를 설명해줍니다.

00:00:15.293 --> 00:00:16.849
얼음이 왜 녹는지

00:00:16.849 --> 00:00:19.279
커피에 크림이 왜 섞이는지

00:00:19.279 --> 00:00:22.529
구멍 난 타이어에서 
왜 공기가 새는지를 말이죠.

00:00:22.529 --> 00:00:27.039
이는 바로 엔트로피이고,
이해하기 매우 힘든 개념입니다.

00:00:27.039 --> 00:00:31.879
엔트로피를 무질서의 단위로
설명하는 경우도 있습니다.

00:00:31.879 --> 00:00:35.739
편리한 설명이긴 하지만
안타깝게도 틀린 말입니다.

00:00:35.739 --> 00:00:38.511
예를 들어, 무엇이 더 무질서할까요?

00:00:38.511 --> 00:00:43.469
부서진 얼음 조각 한 컵일까요?
상온의 물 한 컵일까요?

00:00:43.469 --> 00:00:45.373
대부분 얼음이라고 답하겠지만

00:00:45.373 --> 00:00:49.069
실제로는 부서진 얼음의
엔트로피가 더 낮습니다.

00:00:49.069 --> 00:00:52.898
그래서 확률로 생각하는
다른 방법이 있습니다.

00:00:52.898 --> 00:00:57.290
이해하기 더 어려울 수도 있지만
시간을 들여 공부한다면

00:00:57.290 --> 00:01:01.260
엔트로피를 더 잘
이해할 수 있을 것입니다.

00:01:01.260 --> 00:01:03.661
각각 6개의 원자 결합으로 이루어진

00:01:03.661 --> 00:01:07.541
두 개의 작은 고체 물질을 
생각해보세요.

00:01:07.541 --> 00:01:12.781
이 모형에서 고체 물질의 에너지는
결합 속에 저장되어 있습니다.

00:01:12.781 --> 00:01:15.292
이 고체들은 나눌 수 없는 
에너지 단위인

00:01:15.292 --> 00:01:20.070
양자를 담는 용기라고 
생각하시면 됩니다.

00:01:20.070 --> 00:01:24.601
물질에 에너지가 많을수록
더 뜨거워집니다.

00:01:24.601 --> 00:01:29.042
두 물질 내에서 에너지가 분배되면서도

00:01:29.042 --> 00:01:30.552
각각의 에너지 총량이

00:01:30.552 --> 00:01:34.592
똑같을 수 있는 방법은 매우 많습니다.

00:01:34.592 --> 00:01:38.502
각각의 선택지를 
미시 상태라고 부릅니다.

00:01:38.502 --> 00:01:43.341
양자 에너지가 6개인 고체 A와
양자 에너지가 2개인 B사이에는

00:01:43.341 --> 00:01:47.832
9,702개의 미시상태가 있습니다.

00:01:47.832 --> 00:01:52.861
물론 이 8개의 양자가 다른 방식으로
존재할 수도 있습니다.

00:01:52.861 --> 00:01:57.833
모든 에너지가 고체 A에 있고,
B에는 하나도 없거나

00:01:57.833 --> 00:02:00.872
A와 B에 반반씩 있을 수도 있죠.

00:02:00.872 --> 00:02:04.154
각각의 미시 상태가 될 확률이
같다고 가정하면

00:02:04.154 --> 00:02:06.794
특정한 에너지 구조가 다른 구조보다

00:02:06.794 --> 00:02:10.543
존재할 확률이 더 높다는 것을
확인할 수 있습니다.

00:02:10.543 --> 00:02:14.184
미시 상태의 수가 더 많기 때문이죠.

00:02:14.184 --> 00:02:20.143
엔트로피는 각각의 에너지 구조의
확률을 직접 측정하는 단위입니다.

00:02:20.143 --> 00:02:23.193
고체 사이의 에너지가

00:02:23.193 --> 00:02:28.933
가장 고르게 분산된 에너지 구조가
가장 높은 엔트로피를 갖는 것을 볼 수 있습니다.

00:02:28.933 --> 00:02:30.474
그러니까 일반적으로

00:02:30.474 --> 00:02:34.853
엔트로피는 에너지 분포를
측정하는 단위라고 할 수 있습니다.

00:02:34.853 --> 00:02:37.893
낮은 엔트로피는 에너지가
집중되어 있다는 걸 의미하고

00:02:37.893 --> 00:02:41.623
높은 엔트로피는 에너지가
퍼져있다는 걸 의미합니다.

00:02:41.623 --> 00:02:45.765
뜨거운 물체가 식는 것과 같은
자발적 과정을 설명하는 데

00:02:45.765 --> 00:02:48.075
엔트로피가 왜 유용한지 이해하려면

00:02:48.075 --> 00:02:52.434
에너지가 이동하는
동적 시스템을 봐야 합니다.

00:02:52.434 --> 00:02:54.935
현실에서 에너지는 가만히 있지 않고

00:02:54.935 --> 00:02:58.065
이웃하는 결합 사이를 계속 움직입니다.

00:02:58.065 --> 00:03:00.206
에너지가 움직이면

00:03:00.206 --> 00:03:02.955
에너지 구조가 변할 수 있습니다.

00:03:02.955 --> 00:03:05.085
미시 상태의 분포 때문에

00:03:05.085 --> 00:03:09.836
시스템이 에너지가 
최대한 분산된 구조가 될

00:03:09.836 --> 00:03:13.595
확률은 21%이고

00:03:13.595 --> 00:03:17.357
시작과 같은 상태로
돌아갈 확률은 13%이며

00:03:17.357 --> 00:03:22.857
A가 에너지를 얻을 확률은 8%입니다.

00:03:22.857 --> 00:03:26.935
다시 말해 분산된 에너지와 
높은 엔트로피를 갖는 경우의 수가

00:03:26.935 --> 00:03:30.026
에너지가 집중되는 경우보다 많기에

00:03:30.026 --> 00:03:32.558
에너지는 분산되는 경향을 띱니다.

00:03:32.558 --> 00:03:35.509
그렇기에 차가운 물체 옆에
뜨거운 물체를 두면

00:03:35.509 --> 00:03:40.420
차가운 물체는 따뜻해지고
뜨거운 물체는 식는 것입니다.

00:03:40.420 --> 00:03:41.867
하지만 이 예시에서도

00:03:41.867 --> 00:03:47.116
뜨거운 물체가 더 뜨거워질 확률이
8% 존재합니다.

00:03:47.116 --> 00:03:51.427
왜 이런 상황은 현실에서 절대
일어나지 않을까요?

00:03:51.427 --> 00:03:54.177
이는 시스템의 규모 때문입니다.

00:03:54.177 --> 00:03:58.057
우리가 가정했던 고체는
결합을 6개씩만 가지고 있었습니다.

00:03:58.057 --> 00:04:03.938
6,000개의 결합과 8,000개의 
에너지 단위로 키워봅시다.

00:04:03.938 --> 00:04:07.527
그리고 똑같이 A에 
에너지의 3/4이 있고

00:04:07.527 --> 00:04:10.127
B에 에너지의 1/4이 있다고 합시다.

00:04:10.127 --> 00:04:14.337
그러면 A가 더 많은 에너지를
얻게 될 확률이

00:04:14.337 --> 00:04:17.247
매우 낮다는 걸 알 수 있습니다.

00:04:17.247 --> 00:04:22.308
비슷하게, 일상의 물건들은 이보다
훨씬 많은 입자를 가지고 있습니다.

00:04:22.308 --> 00:04:25.920
현실에서 뜨거운 물체가
더 뜨거워질 확률은

00:04:25.920 --> 00:04:28.011
터무니없이 낮습니다.

00:04:28.011 --> 00:04:30.409
절대 일어나지 않습니다.

00:04:30.409 --> 00:04:31.528
얼음은 녹고

00:04:31.528 --> 00:04:32.918
크림은 섞이고

00:04:32.918 --> 00:04:34.676
타이어의 바람은 빠집니다.

00:04:34.676 --> 00:04:39.942
이 상태가 본래보다 에너지가 더 많이
분산되기 때문입니다.

00:04:39.942 --> 00:04:43.630
신비로운 힘으로 더 높은 엔트로피를
향해 가는 게 아닙니다.

00:04:43.630 --> 00:04:48.928
더 높은 엔트로피가 될 확률이 
통계학적으로 더 높은 것뿐입니다.

00:04:48.928 --> 00:04:52.480
그래서 엔트로피를
시간의 화살이라고 부릅니다.

00:04:52.480 --> 00:04:56.739
에너지는 분산할 기회가 오면
분산할 것입니다.