맥스웰의 악마 Maxwell Demonㅣ과학사 4대 악마(2), 열역학 제2법칙

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맥스웰의 악마 Maxwell Demonㅣ과학사 4대 악마(2), 열역학 제2법칙

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◆ 맥스웰의 악마 Maxwell Demon

 

맥스웰의 악마(Maxwell Demon)는 154년 전 열역학 제2법칙을 위반하는 것이 가능한지 알아보고자 했던 19세기 영국의 물리학자 제임스 맥스웰(James Clerk Maxwell, 1831-1879)의 머릿속에서 탄생했습니다. 이 개념은 열적 엔트로피 증가의 원칙에 도전하는 사고실험으로 유명합니다. 

 

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맥스웰이 상상해 낸 것은 엔트로피 증가를 무효화하려는 아이디어인데 구체적인 논리는 아래와 같습니다. 이 흐름 대로라면 열역학 제2법칙이 깨집니다. 그러나 안타깝게도 열역학 제2법칙은 여전히 유효합니다. 

 

1. 같은 온도의 기체로 차 있는 2칸짜리 고립된 컨테이너가 있다. 

2. 컨테이너 가운데는 칸막이가 있고 그 사이 작은 문을 조절하는 '악마'라고 부르는 생물체가 있다.

3. 악마는 분자의 속도와 운동방향을 관찰할 수 있고, 그 정보를 이용해 빠르게 움직이는 분자를 한쪽으로, 느리게 움직이는 분자를 반대쪽으로 보낼 수 있다. 

4. 이렇게 분자를 분류하면 고온 쪽과 저온 쪽에 열평형이 유지되지만 엔트로피는 감소한다. 

 

 

◆ 열역학 제2법칙

 

열역학 제2법칙에 따르면 우주는 항상 무질서가 증가하는 경향이 있습니다. 시스템 내에서 무질서의 척도를 엔트로피라고 하는데 고립계에서 총엔트로피의 변화는 항상 증가하거나 일정하며 절대 감소하지 않는다고 주장합니다. 온도가 다른 두 물체를 접촉시키면 열역학적 엔트로피가 증가하여 엔트로피가 극대값을 가지는 평형상태에 도달하게 됩니다. 

 

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ㅣ사례

 

식은 커피를 다시 뜨겁게 하기 위해서는 에너지가 필요하며 결코 저절로 뜨거워지지 않습니다. 열역학 제 2법칙은 뜨거운 커피가 왜 저절로 식는지, 식은 커피는 왜 저절로 뜨거워지지 않는지를 설명합니다. 뜨거운 커피가 저절로 식는 빈도만큼 차가운 커피도 저절로 뜨거워져야 하는데 이는 열역학 제2법칙에 위배되는, 따라서 일어나지 않는 현상이라는 것입니다. 

 

 

◆ 현대 과학에서 맥스웰의 악마

 

특히 정보과학 분야에서 맥스웰의 악마가 만들어낸 아이디어에 대해 연구하는 사람들이 지금도 있습니다. 열역학 제2법칙을 깨뜨릴 수 있다면 값싼 에너지를 만들 수 있겠지만 아직은 유효합니다. 또한 맥스웰의 악마에 관한 상상은 엔트로피 개념과 물질의 통계적 특성에 대한 이해에 도움을 주었으며 정보 이론, 열역학, 컴퓨터 과학, 양자물리학 분야에서 중요한 영향을 미치는 등 현대 과학기술 분야에서 다양하게 연구하고 있습니다.  

 

/참고: Office of Science National Laboratory, Wikipedia

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2023.9. 씀. 

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