What is entropy? - Jeff Phillips

번역: Ju Hye Lim 검토: Seon-Gyu Choi

There's a concept that's crucial to chemistry and physics.

화학과 물리학에 매우 중요한 개념이 있습니다.

It helps explain why physical processes go one way and not the other:

이는 물리과정이 왜 한 쪽으로만 진행하는지를 설명해줍니다.

why ice melts,

얼음이 왜 녹는지

why cream spreads in coffee,

커피에 크림이 왜 섞이는지

why air leaks out of a punctured tire.

구멍 난 타이어에서 왜 공기가 새는지를 말이죠.

It's entropy, and it's notoriously difficult to wrap our heads around.

이는 바로 엔트로피이고, 이해하기 매우 힘든 개념입니다.

Entropy is often described as a measurement of disorder.

엔트로피를 무질서의 단위로 설명하는 경우도 있습니다.

That's a convenient image, but it's unfortunately misleading.

편리한 설명이긴 하지만 안타깝게도 틀린 말입니다.

For example, which is more disordered -

예를 들어, 무엇이 더 무질서할까요?

a cup of crushed ice or a glass of room temperature water?

부서진 얼음 조각 한 컵일까요? 상온의 물 한 컵일까요?

Most people would say the ice,

대부분 얼음이라고 답하겠지만

but that actually has lower entropy.

실제로는 부서진 얼음의 엔트로피가 더 낮습니다.

So here's another way of thinking about it through probability.

그래서 확률로 생각하는 다른 방법이 있습니다.

This may be trickier to understand, but take the time to internalize it

이해하기 더 어려울 수도 있지만 시간을 들여 공부한다면

and you'll have a much better understanding of entropy.

엔트로피를 더 잘 이해할 수 있을 것입니다.

Consider two small solids

각각 6개의 원자 결합으로 이루어진

which are comprised of six atomic bonds each.

두 개의 작은 고체 물질을 생각해보세요.

In this model, the energy in each solid is stored in the bonds.

이 모형에서 고체 물질의 에너지는 결합 속에 저장되어 있습니다.

Those can be thought of as simple containers,

이 고체들은 나눌 수 없는 에너지 단위인

which can hold indivisible units of energy known as quanta.

양자를 담는 용기라고 생각하시면 됩니다.

The more energy a solid has, the hotter it is.

물질에 에너지가 많을수록 더 뜨거워집니다.

It turns out that there are numerous ways that the energy can be distributed

두 물질 내에서 에너지가 분배되면서도

in the two solids

각각의 에너지 총량이

and still have the same total energy in each.

똑같을 수 있는 방법은 매우 많습니다.

Each of these options is called a microstate.

각각의 선택지를 미시 상태라고 부릅니다.

For six quanta of energy in Solid A and two in Solid B,

양자 에너지가 6개인 고체 A와 양자 에너지가 2개인 B사이에는

there are 9,702 microstates.

9,702개의 미시상태가 있습니다.

Of course, there are other ways our eight quanta of energy can be arranged.

물론 이 8개의 양자가 다른 방식으로 존재할 수도 있습니다.

For example, all of the energy could be in Solid A and none in B,

모든 에너지가 고체 A에 있고, B에는 하나도 없거나

or half in A and half in B.

A와 B에 반반씩 있을 수도 있죠.

If we assume that each microstate is equally likely,

각각의 미시 상태가 될 확률이 같다고 가정하면

we can see that some of the energy configurations

특정한 에너지 구조가 다른 구조보다

have a higher probability of occurring than others.

존재할 확률이 더 높다는 것을 확인할 수 있습니다.

That's due to their greater number of microstates.

미시 상태의 수가 더 많기 때문이죠.

Entropy is a direct measure of each energy configuration's probability.

엔트로피는 각각의 에너지 구조의 확률을 직접 측정하는 단위입니다.

What we see is that the energy configuration

고체 사이의 에너지가

in which the energy is most spread out between the solids

가장 고르게 분산된 에너지 구조가 가장 높은 엔트로피를 갖는 것을 볼 수 있습니다.

has the highest entropy.

So in a general sense,

그러니까 일반적으로

entropy can be thought of as a measurement of this energy spread.

엔트로피는 에너지 분포를 측정하는 단위라고 할 수 있습니다.

Low entropy means the energy is concentrated.

낮은 엔트로피는 에너지가 집중되어 있다는 걸 의미하고

High entropy means it's spread out.

높은 엔트로피는 에너지가 퍼져있다는 걸 의미합니다.

To see why entropy is useful for explaining spontaneous processes,

뜨거운 물체가 식는 것과 같은 자발적 과정을 설명하는 데

like hot objects cooling down,

엔트로피가 왜 유용한지 이해하려면

we need to look at a dynamic system where the energy moves.

에너지가 이동하는 동적 시스템을 봐야 합니다.

In reality, energy doesn't stay put.

현실에서 에너지는 가만히 있지 않고

It continuously moves between neighboring bonds.

이웃하는 결합 사이를 계속 움직입니다.

As the energy moves,

에너지가 움직이면

the energy configuration can change.

에너지 구조가 변할 수 있습니다.

Because of the distribution of microstates,

미시 상태의 분포 때문에

there's a 21% chance that the system will later be in the configuration

시스템이 에너지가 최대한 분산된 구조가 될

in which the energy is maximally spread out,

확률은 21%이고

there's a 13% chance that it will return to its starting point,

시작과 같은 상태로 돌아갈 확률은 13%이며

and an 8% chance that A will actually gain energy.

A가 에너지를 얻을 확률은 8%입니다.

Again, we see that because there are more ways to have dispersed energy

다시 말해 분산된 에너지와 높은 엔트로피를 갖는 경우의 수가

and high entropy than concentrated energy,

에너지가 집중되는 경우보다 많기에

the energy tends to spread out.

에너지는 분산되는 경향을 띱니다.

That's why if you put a hot object next to a cold one,

그렇기에 차가운 물체 옆에 뜨거운 물체를 두면

the cold one will warm up and the hot one will cool down.

차가운 물체는 따뜻해지고 뜨거운 물체는 식는 것입니다.

But even in that example,

하지만 이 예시에서도

there is an 8% chance that the hot object would get hotter.

뜨거운 물체가 더 뜨거워질 확률이 8% 존재합니다.

Why doesn't this ever happen in real life?

왜 이런 상황은 현실에서 절대 일어나지 않을까요?

It's all about the size of the system.

이는 시스템의 규모 때문입니다.

Our hypothetical solids only had six bonds each.

우리가 가정했던 고체는 결합을 6개씩만 가지고 있었습니다.

Let's scale the solids up to 6,000 bonds and 8,000 units of energy,

6,000개의 결합과 8,000개의 에너지 단위로 키워봅시다.

and again start the system with three-quarters of the energy in A

그리고 똑같이 A에 에너지의 3/4이 있고

and one-quarter in B.

B에 에너지의 1/4이 있다고 합시다.

Now we find that chance of A spontaneously acquiring more energy

그러면 A가 더 많은 에너지를 얻게 될 확률이

is this tiny number.

매우 낮다는 걸 알 수 있습니다.

Familiar, everyday objects have many, many times more particles than this.

비슷하게, 일상의 물건들은 이보다 훨씬 많은 입자를 가지고 있습니다.

The chance of a hot object in the real world getting hotter

현실에서 뜨거운 물체가 더 뜨거워질 확률은

is so absurdly small,

터무니없이 낮습니다.

it just never happens.

절대 일어나지 않습니다.

Ice melts,

얼음은 녹고

cream mixes in,

크림은 섞이고

and tires deflate

타이어의 바람은 빠집니다.

because these states have more dispersed energy than the originals.

이 상태가 본래보다 에너지가 더 많이 분산되기 때문입니다.

There's no mysterious force nudging the system towards higher entropy.

신비로운 힘으로 더 높은 엔트로피를 향해 가는 게 아닙니다.

It's just that higher entropy is always statistically more likely.

더 높은 엔트로피가 될 확률이 통계학적으로 더 높은 것뿐입니다.

That's why entropy has been called time's arrow.

그래서 엔트로피를 시간의 화살이라고 부릅니다.

If energy has the opportunity to spread out, it will.

에너지는 분산할 기회가 오면 분산할 것입니다.