엔트로피 — 모든 에너지 기술이 벗어날 수 없는 한 법칙
물질과 에너지 · 반응 엔탈피와 열화학 반응식 · 에너지공학
책 소개
미국의 문명비평가 제러미 리프킨이 열역학 제2법칙, 곧 엔트로피 법칙 하나로 자원 고갈과 환경 문제를 풀어낸 책입니다. 저자는 우리가 쓰는 에너지가 한 번 쓰이고 나면 다시 쓰기 어려운 형태로 흩어진다는 점에 주목합니다. 석탄이든 석유든 태우고 나면 그 에너지는 사라지지 않지만, 다시 일을 시킬 수 있는 질 좋은 형태로 되돌릴 수는 없습니다. 저자는 이 한 법칙으로 자원이 왜 점점 고갈되는지, 신재생 에너지로의 전환이 왜 선택이 아니라 필연인지를 설명합니다. 에너지공학을 배우기 전에 '에너지는 왜 한 방향으로만 흐르는가'라는 의문을 먼저 마주하고 싶은 학생에게 좋은 책입니다.
책은 엔트로피 법칙을 '쓸 수 있는 에너지가 쓸 수 없는 에너지로 바뀌어 간다'는 말로 풀어냅니다. 저자가 드는 대표적인 예가 석탄 한 덩이입니다.
석탄을 태우면 그 안에 모여 있던 에너지는 열과 빛으로 흩어지고, 이 흩어진 에너지를 다시 그러모아 석탄으로 되돌릴 방법은 없습니다. 에너지의 총량은 그대로지만, 일을 시킬 수 있는 질 좋은 에너지의 양은 쓸 때마다 줄어든다는 것입니다. 저자는 이런 흐름이 산업 문명 전체에 적용된다고 보고, 인류가 한정된 자원을 빠르게 흩어 버리는 방식으로 살아가는 한 위기를 피하기 어렵다고 경고합니다.
화학 반응이 일어날 때는 에너지가 출입할 뿐 아니라 물질의 무질서한 정도도 함께 변합니다. 이 무질서한 정도를 나타내는 양이 엔트로피입니다.
엔트로피는 입자가 흩어져 있을수록, 다시 말해 배열이 더 무질서할수록 커집니다. 그래서 같은 물질이라도 고체보다 액체가, 액체보다 기체가 엔트로피가 큽니다. 또 온도가 올라가거나 기체 분자의 수가 늘어나면 엔트로피가 증가합니다.
자연에서 일어나는 변화는 대체로 엔트로피가 커지는 쪽으로 진행합니다. 화학에서는 반응이 스스로 일어날지를 판단할 때 에너지의 출입을 나타내는 엔탈피와 이 엔트로피의 변화를 함께 살펴봅니다.
에너지의 총량이 변하지 않는데도 자원이 왜 점점 고갈될까요? 화학에서 배우는 엔트로피로 그 출발점을 설명할 수 있습니다.
에너지는 보존되어 사라지지 않지만, 쓰고 나면 더 무질서한 형태로 흩어져 다시 일을 시키기 어려워집니다. 석탄을 예로 들면, 태우기 전 석탄에는 에너지가 한곳에 모여 있어 엔트로피가 낮지만, 태운 뒤 열과 연소 기체로 흩어지면 같은 에너지가 사방으로 퍼져 엔트로피가 높아집니다. 에너지를 한 번 쓸 때마다 엔트로피가 커지는 방향으로 흩어지므로, 일을 시킬 수 있는 질 좋은 에너지의 양은 줄어들 수밖에 없습니다. 화석연료가 고갈된다는 말은 원자가 사라진다는 뜻이 아니라, 그 에너지가 다시 모으기 어려운 형태로 흩어져 더는 쓰기 어려워진다는 뜻입니다. 그래서 에너지공학은 흩어지는 에너지를 최대한 적게 흘려보내며 효율을 높이는 일, 그리고 햇빛처럼 끊임없이 들어오는 에너지를 받아 쓰는 일을 함께 고민합니다.
엔트로피는 물질이나 에너지가 얼마나 무질서하게 흩어져 있는지를 나타내는 양입니다. 자연에서 일어나는 변화는 특별한 조건이 없으면 대체로 엔트로피가 커지는 쪽으로 진행합니다.
뜨거운 물과 찬물을 섞으면 저절로 미지근해지지만 그 반대는 저절로 일어나지 않는 것이 그 예입니다. 에너지 역시 마찬가지여서, 한곳에 모여 있던 에너지는 쓰이고 나면 더 넓게 흩어진 형태로 바뀌고, 흩어진 에너지를 다시 한곳으로 모으려면 또 다른 에너지가 들어가야 합니다. 이 때문에 에너지를 변환할 때마다 일부는 다시 쓰기 어려운 열로 빠져나가고, 어떤 장치도 들어온 에너지를 100% 다시 일로 바꾸지는 못합니다.
에너지공학에서 효율을 높인다는 말은 이렇게 흩어져 버리는 에너지를 최대한 줄인다는 뜻이고, 신재생 에너지가 중요한 까닭은 한정된 화석연료와 달리 햇빛과 바람이 끊임없이 새로 들어오기 때문입니다. 이 책에서 본 '에너지는 한 방향으로 흩어진다'는 원리를 출발점 삼아, 발전소나 자동차 엔진에서 들어온 에너지 가운데 실제로 일에 쓰이는 비율이 얼마인지를 찾아보고, 나머지가 어디로 어떻게 빠져나가는지를 엔트로피의 관점에서 탐구할 수 있습니다.