엔트로피가 높다는 말은 곧 무질서하다는 말인데 지구의 엔트로피는 점점 더 높아지고 있다.
우리는 일상 생활에서 많은 변화를 경험하고 그러한 변화를 으례 당연한 것으로 여기고 있다. 그러나 이러한 변화의 반대방향을 곰곰히 생각해 보면 조금 이상한 생각이 들 때가 있다.
예컨대 여름 날 시원한 물으 마시고 싶어서 미지근한 물에 얼음을 넣어 차가운 냉수를 만든 경험을 한 사람은 많이 있을 것이다. 그러나 차가운 냉수가 갑자기 미지근한 물과 얼음으로 변하는 것을 경험한 사람은 없다.
다른 예를 들어 보자. 향수 병의 마개를 열어 놓으면 향내(실은 향수의 분자들이다)가 곧 온 방안에 가득차게 된다. 하지만 거꾸로 온방 가득한 향내가 한곳으로 모이는 것을 경험한 적은 없다.
우리가 경험하거나 관찰하는 모든 변화는 넓은 의미로 에너지 형태의 변화라고 해석할 수 있다. 그런데 에너지 형태가 변할 때, 자발적으로 변할 수 있는 방향이 있다. 요컨대 모든 변화는 항상 일반적으로만 진행하며, 이러한 변화의 방향을 제시하는게 바로 엔트로피인 것이다.
"전체 엔트로피는 항상 증가한다"
에너지의 변화관계를 논의하는 학문을 열역학이라고 한다. 여기에는 중요한 두가지 법칙이 있는데 열역학 제1법칙과 제2법칙이 그것. 열역학 제 1법칙은 에너지의 총량은 변함이 없으며, 에너지는 생성되거나 소멸되지 않는다는 법칙이다.
즉 에너지가 정의되고 에너지의 근본을 설명하는 법칙인 것이다. 열역학 2법칙이 바로 엔트로피에 대한 법칙. 이 법칙의 요체는 모든 변화는 엔트로피를 증가시키는 쪽으로만 진행한다는 것이다.
이 두 법칙을 종합하면 다음과 같이 간단히 말할 수 있다. "우주의 전체 에너지 양은 일정하고 전체 엔트로피 양은 항상 증가한다."
그러나 주의해야 할 점이 있다. 열역학법칙들은 수많은 실험이나 관찰을 토대로 하는 귀납적인 법칙이라는 사실이다. 즉 열역학 법칙으로 지구상에서 벌어지고 있는 모든 변화를 설명할 수 있었기 때문에 하나의 '법칙'으로 정착된 것이다. 만약 열역학 법칙들이 특별한 연역적인 사고의 소산이거나, 하늘에서 뚝 떨어진 진리였다면 우리는 그 법칙을 수용할 수 없는 것이다. 따라서 열역학 법칙의 적용범위를 넓혀 전 우주에까지 확장시키는 일은 논란의 여지가 많다.
엔트로피는 변화의 방향을 제시하는 열역학 그법칙을 정량화(定量化)하는 과정에서 태어났다. 자발적으로 진행하는 변화를 정량적으로 설명하기 위해 도입된 개념인 것이다.
그러면 물질들의 엔트로피는 무엇을 의미하며, 그 값을 수치화할 수 있는가? 엔트로피는 각 물질들이 가지고 있는 고유한 상태량이므로, 물질의 에너지 상태 온도 압력 등에 의해 달라진다. 또 물질에 들어 있는 에너지의 축적상태를 잘 나타내고 물질의 절서정연한 정도를 반영한다.
요컨대 무질서한 상태일수록 엔트로피는 크다. 반면 에너지 축적상태가 고르지 않고 집중되어 있을수록 엔트로피는 작다.
에너지가 고루 퍼져 있으면 인간은 이런 에너지를 일로 바꾸기 힘들다. 따라서 엔트로피는 물질의 에너지 중에서 인간이 사용가능한(혹은 사용불가능한) 에너지가 어느 정도인가를 나타내는 척도라고도 할 수 있다.
인간이 일로 변환시킬 수 있는, 즉 사용가능한 에너지를 '자유 에너지'라고 한다. 따라서 엔트로피가 큰 상태는 유용한 자유에너지가 적고 쓸모없는 에너지만 많은 상태를 뜻하게 된다. 다시 말해 우리가 일로 변환시켜서 사용하기에 아주 불편한 에너지 상태를 의미한다.
어쩌면 현재 지구의 전체엔트로피는 증가하고 있을지도 모른다. 태양에 의한 감소요인 보다, 인간들에 의한 증가요인이 더 클 것으로 보이기 때문이다.
과거에 지구의 엔트로피가 감소해왔기 때문에 생명체가 태어났다. 마찬가지로 미래에 지구 전체의 엔트로피가 증가한다면 생명체의 숫자는 크게 줄어들 것이다.
이런 경우에 아마도 가장 먼저 영향을 받게 되는 생명체가 인간일 것이다. 일부 사람들은 공해 에너지위기 자원고갈 등이 지구 전체의 엔트로피가 증가하고 있는 증거라고 주장하고 있다. 물론 이 주장은 아직 널리 공감되고 있지는 않지만 장차 이러한 견해를 인간이 수용해야 할지도 모른다.
확실한 사실은 엔트로피가 높은 상태일수록 우리 인간이 살기에 불편하거나 부적합하다는 점이다. 지구의 전체에너지 양은 일정한데 사용불가능한 에너지가 많은 엔트로피 상태에 놓이게 되면 인간에게 많은 불편을 가져다 줄 게 분명하다.
그러나 지금 지구의 엔트로피가 증가하고 있다고 확언할 수는 없다.. 아무도 지구의 엔트로피가 현재 증가하고 있는지 혹은 감소하고 있는지를 확실하게 계산하지 못하고 있는 것이다.
에너지와 엔트로피
이번에는 에너지문제와 엔트로피를 관련시켜 생각해 보자. 70년대 초부터 에너지 위기에 대처하는 방법에 관한 수많은 논의가 있었다. 물론 지금의 에너지 위기는 화석연료 중의 하나인 석유자원의 고갈 때문이라고 좁게 말할 수 있다.
그러나 좀 더 큰 안목으로 바라보면 다른 해석도 가능하다. 즉 자원의 과도한 사용으로 인해서 어쩔 수 없이 증가된 엔트로피에 의한 영향이라고도 생각할 수 있는 것이다.
연료를 태우는 일은 그 연료가 무엇이든지 간에 근본적으로 엔트로피를 크게 증가시키는 일이다. 대체로 자연 속의 에너지자원은 낮은 엔트로피 상태, 즉 사용가능한 에너지가 많은 상태로 존재한다. 이같은 천연 에너지자원의 고갈은 결국 엔트로피의 증가가 심했다는 의미와 다름아니다. 때문에 이러한 증가로 인한 영향을 생각해 보아야 한다.
지금과 같은 에너지위기는 과거에도 있었다. 나무자원에서 석탄자원으로 전이되는 과정에서도 일어났던 것이다.
중세 유럽에서 나무가 차지하는 비중은 지금 석유가 차지하는 정도에 비교할 수 있을 정도로 컸다. 나무가 거의 모든분야에 사용되었던 것이다.
자신의 저서인 '기술과 문화'에서 "자원으로서, 기구나 기계로서, 가사도구로서, 땔감으로서 나무는 중세 유럽의 중요한 산업자원이었다"라고 쓴 영국의 사학자 루이스 멈포드(Lewis Mumford)의 지적처럼 나무는 에너지자원으로 엄청난 비중을 가지고 있었다. 이처럼 나무에 대한 의존도가 높았던 시기에 인구의 증가와 도시화 들이 동시에 진행되었고 이로인해 나무의 고갈은 더욱 심해졌다.
그 결과 엔트로피의 엄청난 증가를 가져왔고 필요로 하는 에너지자원(나무)은 기하급수적으로 고갈됐다. 특히 철의 생산, 선박의 건조, 상업의 발달 등이 직접적인 원인이 되어 17세기에는 나무를 중심으로 하는 에너지위기가 극에 달했다.
이러한 나무위기에 대한 해결책으로 등장한 것이 바로 석탄이다. 이 새로운 종류의 에너지자원은 기술의 발전을 가져왔고 사회와 자연환경에 커다란 변화를 유도했다. 특히 석탄은 그 전까지 사용했던 나무와는 달리, 화석연료였기 때문에 엔트로피 증가는 더욱 현저했다. 과거 지구가 태양에너지를 흡수하여 낮은 엔트로피 상태로 축적해 놓았던 것(석탄)을 사용했으므로 엔트로피 증가는 당연한 일.
석탄사용에 따른 기술의 발달도 엔트로피를 높였다. 흔히 기술의 발달이 세상에 큰 질서를 가져 온다고 생각하기 쉽지만, 열역학 제 2법칙에 의하면 정반대이다. 기술이 발달할수록 에너지 변환과정이 빨라지므로 엔트로피가 더 많이 증가, 세상은 한층 무질서해지는 것이다.
현재 산업의 부산물 정도로 생각하고있는 공해문제도 따지고 보면 엔트로피 증가 때문에 생기는 무질서현상의 한면이다. 따라서 에너지위기에 대처하는 방안을 연구할 때, 엔트로피 증가현상을 당연히 염두에 두어야만 한다.
에너지 개발에 엔트로피 고려해야
석유자원 고갈에 의한 작금의 에너지 위기를 대처하는 방법으로 합성연료 핵분열에너지 핵융합에너지 태양에너지 등이 논의되고 있다. 이 방안들은 모두 나름의 장단점이 있고 일부는 이미 사용되고 있다. 그러나 근본적으로 에너지문제를 해결할 수 있는지에 관해서는 많은 의문들이 제기되고 있다.
예컨대 합성연료인 가솔린은 석탄을 높은 온도에서 물과 반응시켜서 만든다. 이 반응에서 촉매가 하는 역할도 무시할 수 없지만, 기본적으로 물과 석탄은 꼭 필요하다. 근본적으로 합성연료는 화석연료인 셈이다. 값싼 석탄을 여러가지 복잡한 과정을 거쳐서 가솔린으로 만든데 불과한 것이다. 때문에 이로 인한 엔트로피 증가는 기본의 석유자원보다 클 수 밖에 없다.
열사상태에 빠지면…
구체적인 예를 들어보자. 석탄이 타는 변화에 있어서 엔트로피 변화는 아래와 같다. (3백K 온도하에서)
석탄(12g, 엔트로피≒6)+산소(32g, 엔트로피≒2백5)→이산화탄소(44g, 엔트로피≒2백14)+ 열(394KJ, 엔트로피=13만1천)
석탄이 산소와 반응하여 이산화탄소와 열로 변하는 과정은 자발적으로 이뤄진다. 이 사실은 우리의 경험에 비추어 볼때 당연한 것이다.
위의 반응을 구체적으로 살펴보자. 우리는 발생하는 열의엔트로피가 다른 것에 비해서 월등히 큼을 알 수 있다. 실제로 열에너지 형태는 가장 무질서한 형태. 모든 에너지 형태 중에서 가장 엔트로피가 큰 형태인 것이다.
모든 에너지는 궁극적으로 열에너지 형태로 변해야 한다는 것이 열역학 2법칙이 제시하고 있는 '무서운' 결론이다. 모든 것이 열에너지 형태로 바뀐 상태를 열사(熱死, heat death)상태라고 하는데 이를 우주의 종말상태라고 주장하는 사람도 있다. 열사상태란 생명체는 물론 세상에 어떤 물질 분자 원자도 없고 다만 열만이 존재하는 상태이다. 열사상태는 엔트로피가 최대이다. 때문에 우주는 결국 열사상태에 이르게 된다는 것이 열역학 2법칙에 합당한 결론이다.
그러나 이러한 법칙은 지구에서 관찰하고 실험한 자료를 토대로 한 귀납법칙일 뿐이다. 따라서 우주 전체에 이러한 비극적인 종말을 선언한다는 것은 어쩌면 우리 인간의 오만일지도 모른다.
우주는 너무 넓기 때문에 지구의 예만으로 판단해서 성급한 결론을 내리는 것은 위험한 일인 것이다. 그러면 지구의 엔트로피는 어떤가? 물론 지구 전체 엔트로피를 계산하거나 실험으로 구하는 작업은 불가능하다. 그렇지만 지구의 엔트로피를 증가시키는 요인이나, 감소시키는 요인에 대해서는 논의할 수 있다.
지구의 엔트로피를 감소시키는 요인은 모두 태양에 근거한다. 지구는 상당히 낮은 엔트로피 상태인 햇빛, 즉 빛에너지를 흡수한다. 또 같은 양에 해당하는 높은 엔트로피 상태인 열에너지를 외부로 방출한다. 이로써 전체 에너지 양을 일정하게 유지하면서 엔트로피를 감소시키고 있는 것이다.
그 덕분에 지구에는 낮은 엔트로피 상태인 생명체들이 생겨났다. 또 이들이 여러 종(種)으로 진화하고, 번식할 수 있게 되었다. 오스트리아의 물리학자 슈뢰딩거(Schrödinger)의 말대로, '생명체는 음(-)의 엔트로피를 먹고 사는 존재'이기 때문에 태양의 존재는 그만큼 필수적인 것이다.
인간이 주범
모든 생명체가 생활하는 과정은 넓은 의미에 있어서 변화의 과정이다. 따라서 이들이 활동하는 모든 과정은 엔트로피를 증가시키게 된다. 특히 모든 생명체일수록 엔트로피를 많이 증사시키는데, 인간의 경우는 아주 심하다.
먹이사슬을 보면 인간이 다른 생명체에 비해서 얼마나 많은 엔트로피를 만들어 내는지 알 수 있다. 예컨대 메뚜기가 풀을 먹고, 개구리는 메뚜기를 잡아 먹고, 송어가 개구리를 먹고 인간이 송어를 먹는 먹이사슬을 가정해 보자. 이때 한 사람이 1년을 살기 위해서는 3백마리의 송어가 필요하다. 또 3백마리 송어는 9만마리 개구리를, 개구리는 2천7백만마리의 메뚜기를, 메뚜기는 1천톤의 풀을 먹어야 한다.
이렇게 볼 때 인간이 지구의 엔트로피를 증가시키는 큰 요인임은 틀림없다. 더욱이 문명의 발달은 인간으로 하여금 엔트로피를 더 많이 증가시키게 하고 있다. 예를 들면 걷는 대신 자동차를 타고, 화석 연료를 난방이나 전기에 사용하는 등 인간은 갈수록 태산이다.
화석연료는 아니지만 핵분열에너지도 우라늄이라는 한정된 에너지원을 사용한다. 더구나 화석연료에 비해서 훨씬 더 공정이 복잡하고 다루기도 위험하다. 따라서 핵분열에너지는 화석연료에 비해서 더 큰 엔트로피 증가를 야기시킬 것이다. 특히 핵폐기물의 처리문제는 여러 측면에서 물의를 일으키고 있다. 그 때문인지 현재 핵분열에너지의 사용은 감소추세에 있다.
최근 활발히 논의되고 있는 핵융합에너지는 아직까지 구체적으로 말할 단계가 아니다. 전기발전 등 평화적인 에너지원으로 사용된 적이 없기 때문이다. 아무튼 핵융합에너지도 미래의 에너지 문제를 간단히 해결해 주지는 못할 것이다. 핵융합에너지가 열에너지로 변하는 과정에서 발생될 엔트로피 증가는 과거의 그 어떤 변환 보다도 클 것으로 추측되기 때문이다. 어쩌면 상상치 못했던 문제가 생길 가능성도 있다.
태양에너지는 지금도 일부는 전기로 변환하여 사용하고 있다. 변환장치 가격이 가격경쟁력만 가지면 장래도 상당히 낙관적이다. 그러나 지금까지 알려진 기술은 미흡하기 짝이 없다. 조그만 녹색식물보다도 훨씬 열등한 변환 밖에 못하고 있는 실정인 것.
아무튼 태양에너지는 앞에서 언급한 에너지와는 달리 한정된 자원이 아니라는 장점이 있다. 또 지구의 엔트로피를 증가시키는 요인이 아니라는 점에서 그 성격이 다르다. 따라서 태양에너지를 적극적으로 이용하는 것이 바람직하다. 하지만 이용하는 방법에 따라 엔트로피 증가가 각각 다를 것이기 때문에 이 점은 고려해야 한다.
요컨대 에너지문제를 단순히 에너지자원의 고갈로만 이해하려고 해서는 안된다. 앞으로는 에너지 변환과정 변환기술 그리고 그 영향을 연구하는데 있어서 엔트로피 증가문제도 함께 포함해서 논의해야 할 것이다.
네겐트로피의 공급이 중단되면…
끝으로 생명체와 엔트로피의 관계를 살펴 보자. 열역학 2법칙에 의하면 전체우주 엔트로피는 항상 증가하지만, 부분적으로는 감소할 수 있다.
어느 특정 부문의 엔트로피 감소는 다른 부분에 더 큰 엔트로피 증가가 있음으로 인해 가능한데, 그 좋은 예가 생명체이다.
인간을 포함한 모든 생명체는 엔트로피 증가법칙에 대항하여 살아가는 존재라고 말할 수 있다. 이는 모든 생명체가 에너지로부터 고립돼 독자적인 생명활동을 할 수 없음을 뜻한다. 생명체는 태양에너지를 여러 형태로 변환시키거나, 이미 변환된 것을 이용하여 자신의 엔트로피를 감소시키고 있는 것.
대부분의 생명체는 탄소 수소 질소 산소 인 황(CHNOPS)등 몇개 안되는 원소들로 이루어져 있다. 이는 지구상에 존재하는 원소의 존재비율과는 거의 상관이 없다(예를 들어서 지구에 가장 많이 존재하는 규소는 생명체 내에 거의 없다). 이처럼 CHNOPS로 이루어진 이유는 아마도 태양에너지의 형태가 CHNOPS 계의 물질과 가장 잘 상호작용하기 때문일것으로 추정된다. 즉 CHNOPS계는 태양의 복사에너지로 부터 양질의 에너지(낮은 엔트로피 상태)를 잘 만든다. 때문에 CHNOPS계로 이루어진 생명체만이 번성하고 진화할 수 있었을 것이다.
생명체는 양질의 에너지를 흡수, 엔트로피 증가를 이겨 나간다. 이 과정에서 많은 정보와 정보전달체계들이 필요함은 당연한 일.
이러한 정보체계에서 유전자가 중추적인 역할을 하고 있다. 유전자는 주위에서 음(-)의 엔트로피(네겐트로피)를 효율적으로 흡수하는데 필요한 정보를 제공한다.
결국 생명체가 살아가는 것은 네겐트로피를 끊임없이 흡수함으로써, 일종의 정류상태를 유지하는 것에 불과하다. 물질이나 에너지 등에 의한 네겐트로피 공급이 질병 등에 의해서 중단되면 생명체는 정류상태를 벗어나서 평형상태인 죽음에 이르게 된다.
죽음은 곧 엔트로피가 증가하는 과정이므로 열역학 2법칙에 의하면 지극히 당연한 일이다. 따라서 어떠한 생명체도 정류상태인 삶에만 영원히 머무를 수는 없다. 일정시간 후에는 싫어도 평형상태인 죽음을 맞게 되는 것이다.
물론 얼마 만큼의 시간(수명을 의미한다)이 걸려야 이러한 평형상태에 달하느냐는 문제는 기본적으로 반응속도에 관한 문제다.
요컨대 모든 생명체가 한정된 삶을 누릴 수 밖에 없고, 종국에는 죽음이라는 평형상태에 이르게 됨은 엔트로피법칙으로 보았을 때 지극히 당연한 일인 것이다.
