[현대사회의 이해] 엔트로피의 법칙

100% 재생하여 이용할 수 있는 방법이란 없다
태양 에너지도 그 자체로는 물질생산 못해

무한히 이용가능하다고 알려진 태양·바람에너지조차도 그 자체로는 물질을 생산하지 못한다.

제레미 리프킨은 그의 저서인 '엔트로피의 법칙'에서 엔트로피 개념을 사회 현상에 적용하여 현대의 과학 기술 문명에 깔린 발전 개념을 비판하며 새로운 세계관을 모색하고 있다. '엔트로피'를 이해하기 위해서는, 우선 열역학의 두 가지 법칙을 알아야 한다. 열역학 제1법칙은 일명 '에너지 보존의 법칙'으로 우주 전체의 물질과 에너지의 총량은 일정해서 생성되거나 소멸될 수 없고, 오직 그 형태만이 바뀐다는 것을 의미한다.

열역학 제2법칙. 즉 엔트로피의 법칙은 물질과 에너지는 계(系)의 무질서 도를 증가시키는 방향으로만 변화한다는 것을 말하며 엔트로피는 이 때 '무질서의 정도'를 나타내는 개념이다. 다시 말해, 열역학의 두 법칙은 '우주 전체의 에너지는 보존되지만 쓸모 있는 에너지의 양은 계속 감소되고 있다'는 것으로 정리할 수 있다. 그러므로 우주와의 관련에서 '닫힌 계'인 지구에서 나타나는 모든 변화는 '전 엔트로피의 증가'라는 결과를 피할 수 없게 된다. 이러한 문제는 우리가 환경 문제의 한 해결 방안이라고 생각하는 '재활용'의 경우에도 해당되는 것이다. 엔트로피 개념의 창안자인 클라우지우스는 엔트로피 법칙의 우주론적 결과로서 히트 데스(heat death; 열죽음)가 불가피하다고 보았다. 우주는 결국 최대의 엔트로피 상태에 이르러 사용 가능한 에너지가 완전히 사용 불가능한 형태로 바뀔 것이고, 따라서 아무 일도 일어나지 않는 영원한 정지 상태에서 이 세상은 시간이라는 것이 더 이상 존재하지 않는 종말에 이를 것이라 보았다.



▷모든 물체는 에너지의 양적(量的) 상징에 지나지 않는다.



과학적인 개념 중에서 '엔트로피의 법칙'만큼 간단한 것도 없으며, 또 이만큼 '과연, 그렇구나' 하고 생각되는 것도 없다. 열역학의 두 법칙은 모두 다음과 같이 간단히 설명될 수 있다.



우주에 있는 모든 에너지의 총화(總和)는 일정하고 (제1법칙), 모든 엔트로피는 끊임없이 증대된다.(제2법칙)

제 1법칙은, 다시 부연하여 말하면, 에너지는 더 조성되거나 소멸되지 않는다는 것이다. 시간이 시작된 이후로 우주 에너지의 총화는 일정하며 시간이 끝날 때까지 불변할 것이다. 이 열역학 제1법칙은 '에너지 보존의 법칙'이라고도 하며, 에너지는 더 조성되거나 소멸되는 일은 없지만 어떤 형태에서 다른 형태로 변환시키는 것은 가능하다고 바꾸어 말할 수 있다.

아이작 아시모프(러시아 태생의 미국 생화학자)는 열역학 제1법칙을 간단한 예를 들어 다음과 같이 설명하고 있다.

"어떤 양의 열을 취하여 그것을 일로 변환시킨다고 가정하자. 이렇게 해도 열은 소멸되지 않으며, 그 열을 다른 장소로 옮겼거나 혹은 다른 에너지형태로 바꾼 것에 지나지 않는다."

가장 구체적인 예로서, 자동차의 엔진을 들어보자. 이 경우에 가솔린 속의 에너지는 '엔진에 의해 조성된 일에, 발생된 배기 가스 속의 에너지를 더한 것'과 같다는 것이다.

영구 운동(永久運動)을 하는 기관을 개발하려고 했던 시도가 모두 실패한 것처럼, 무(無)에서 유(有)인 에너지를 만들어 내는 데 성공한 인간은 일찍이 한 사람도 없었으며, 앞으로도 이것은 불가능하다. 인간이 할 수 있은 일은 에너지를 어떤 상태에서 다른 상태로 바꾸는 것 뿐이다.

사실 존재하는 모든 것의 모습과 형태 그리고 움직임은, 에너지를 여러모로 집중·변환시킨 결과가 구체적인 형태로 나타난 것에 지나지 않는다. 인간이든 초고층 빌딩이든 또는 자동차든 풀 한 포기든 간에, 이 모든 것은 어떤 상태에서 다른 상태로 변환된 에너지의 양을 나타내고 있다. 초고층빌딩 또는 풀 한 포기가 형성되기 위해서는, 다른 어떤 곳에서 섭취한 에너지가 사용되고 있는 것이다. 그리고 초고층 빌딩이 파괴되거나 풀 한 포기가 시들 때에도 이 에너지는 소멸되지 않는다. 이것은 단지 환경 속에서 에너지가 다른 장소로 이동한 것에 지나지 않는다.



▷엔트로피의 증대는 사용할 수 없는 에너지의 증가를 가리킨다.



열역학의 제1법칙만을 생각해 보더라도, 어떤 에너지를 되풀이해서 몇 번이고 사용할 수는 없다는 것을 직감적으로 알 수 있다. 예컨대, 석탄을 태울 때 에너지는 얻을 수 있지만 거기에서 발생한 이산화황이나 그 밖의 가스는 공기 속에서 퍼져 버린다. 그 과정에서 에너지가 소멸되는 일은 없지만. 한 번 태운 석탄을 다시 태울 수는 없으며 더구나 같은 양의 에너지를 얻을 수는 없다.

그리고 이것을 과학적으로 설명할 수 있는 것은 열역학 제2법칙뿐이다. 열역학 제2법칙은 에너지가 어떤 상태에서 다른 상태로 변할 적마다, 장차 어떤 일을 하는 데 필요한 '사용이 가능한 에너지'를 잃게 된다는 것이다. 엔트로피란 이것을 말하며 이미 일로 변환될 수 없는 에너지 양의 정도를 가리킨다.

즉 엔트로피가 증대한다는 것은 사용이 불가능한 에너지가 증가한다는 것을 의미한다. 자연계에서 무엇이 일어날 적마다 장차 어떤 일을 하기 위해 필요한 에너지를 사용할 수 없게 된다. 그리고 이 사용이 불가능한 에너지의 대표적인 것으로 공해가 있다. 또한 산업 폐기물도 낭비된 에너지라고 말할 수 있다. 열역학 제1법칙에 따르면, 에너지는 더 조성할 수도 없고 소멸되지도 않으며 가능한 것은 '변환시키는'일뿐이다.

그리고 열역학 제2법칙에 의하면 에너지는 하나의 방향, 즉 사용된 상태에서만 변환된다. 이런 점에서 공해란 그야말로 엔트로피에 주어진 별명이며, 이를테면 어떤 '계(系: 상호 관련을 가진 반응 체계)'에 나타난 사용이 불가능한 에너지의 양을 가리킨다.



▷지구상에는 두 종류의 에너지가 존재한다.



엔트로피라는 말을 생각해 낸 사람은 독일의 물리학자의 루돌프 클라우지우스이다. 그는 '닫혀진 계(系)(외부로 확장되지 않는 반응 체계)' 속에서는 에너지 수준에 차이가 있으면 언제나 평형 상태로 향하게 된다는 것을 발견했다.

예컨대 난로에서 뜨거운 부지깽이를 꺼낸 적이 있는 사람이라면 누구나 클라우지우스가 정식화(定式化)한 것과 같은 사실을 관찰하게 될 것이다. 빨갛게 단 부지깽이를 난로에서 꺼내어 공기 중에 방치하면, 부지깽이가 식어 감에 따라 주위의 공기가 뜨거워진다. 이것은 열이 언제나 뜨거운 물체에서 찬 물체로 흐르기 때문이다. 그리하여 마지막에는 부지깽이와 주위의 공기는 같은 온도를 유지하게 된다. 이와 같이 에너지 수준에서 차이가 없어진 상태를 평형 상태라고 부른다.

이 상태는 정지되어 있는 물의 상태와 같다. 어쨌든 식어 버린 부지깽이나 정지된 물은 이미 유용한 일을 할 수가 없다. 그 에너지는 속박된 에너지 내지 사용이 불가능한 에너지이기 때문이다. 그렇다고 해서 그 물을 댐으로 끌어올려 다시 떨어지게 할 수 없다거나 또는 부지깽이를 다시 뜨겁게 할 수 없다는 뜻은 아니다. 그러나 어느 경우에든 그 과정에서 자유로운, 혹은 사용이 가능한 새로운 에너지가 소비되어야만 한다.

평형 상태란. 엔트로피가 최대로 된 상태이며, 거기에는 다른 일을 행하는 데 사용될 수 있는 자유로운 에너지는 이미 존재하지 않는다. 클라우지우스는, '세계에서 엔트로피(사용이 불가능한 에너지의 양)는 언제나 최대로 향하는 경향이 있다'고 결론을 내리며 열역학 제2법칙을 정식화하고 있다.

그런데 이 지구상에는 사용이 가능한 두 가지의 에너지원이 있는데, 육상(陸上)에 비축된 에너지와 태양으로부터의 일사(日射)가 그것이다. 그리고 태양에너지는 1초가 지날 적마다 힘이 약해지지만, 지구상의 사용이 가능한 에너지가 완전히 사용된 후까지도 그 엔트로피가 최대에 이르는 일이 없다.

이에 대하여, 육상에 비축된 에너지를 사용하면 어떻게 되는가? 예컨대 담배에 불을 붙일 적마다 지구상의 사용이 가능한 에너지는 감소된다. 물론 물을 엔트로피가 더욱 낮은 얼음의 상태로 만들 수 있는 것처럼, 특정한 상태에서는 인위적으로 엔트로피의 흐름을 거꾸로 할 수는 있다. 그러나 이 경우에는 전류 등의 다른 에너지가 대단히 많이 필요하게 된다. 따라서 이 경우에도 지구상의 전 엔트로피는 증가하게 된다.



▷지구는 우주에서 물질적인 혜택을 받는 일이 없다.



이것은 특히 '재생 이용(再生利用)'이라는 문제를 생각할 경우에 중요한 관점이 된다. 우리는 적절한 기술이 개발되기만 하면 자신들이 사용하고 있는 거의 모든 것을 완전하게 재생하여 이용할 수 있다고 생각하고 있다. 그러나 이것은 잘못된 생각이다. 장차 이 세계가 경제적으로 살아 남으려면 재생 이용을 더욱 효율적으로 추진해 나가야 하지만, 100% 재생하여 이용할 수 있는 방법이란 없는 것이 사실이다.

예컨대 청량 음료의 빈 깡통을 생각해 보면 알 수 있는 것처럼 대부분 사용이 끝난 금속을 놓고 볼 때 평균적인 재생 이용률은 현재 30% 정도에 불과하다. 나아가 재생 이용을 위해서는, 사용된 소재의 수집·운반·처리에서 별도의 에너지가 필요하게 되어 결과적으로 환경의 전 엔트로피는 증가하게 된다. 따라서 무엇을 재생하여 이용하려면 새롭게 사용이 가능한 에너지의 방출에 드는 비용과 환경의 전 엔트로피의 증가라는 희생이 반드시 따르게 된다.

여기서 되풀이하여 강조하고 싶은 것은, 이 지구상에서는 끊임없이 물질적인 엔트로피가 증대하여 나중에는 극대에 도달하게 될 것이라는 점이다. 그것은 지구가 우주와의 관련에서 '닫혀진 계'이기 때문이다. 다시 말해서, 지구가 우주 공간과 교환할 수 있는 것은 에너지뿐이며 물질은 아니라는 점이다. 때때로 지구에 떨어지는 운석(隕石)이나 우주진(宇宙塵)을 제외하고, 우리가 살고 있는 지구는 '닫혀진 우주의 소계(小系)'의 상태에 머물러 있다.

그런데 우리들 중에는 태양 에너지의 유입(誘入)에 의해 물질을 생산할 수 있다고 잘못 생각하는 사람도 있다. 그리하여 경제학자인 니콜라스 레겐은 이런 사람들에게 다음과 같이 말하고 있다.

"우주라는 환상적인 기관(機關)에서조차 에너지만으로 물질을 만들어 낼 수는 없다. 그 대신 언제나 막대한 양의 물질이 에너지로 변환되고 있다."

여기서 우리는 태양에너지가 그 자체로서는 물질을 산출하지 못한다는 것을 이해하여야 한다. 태양에너지의 흐름을 유리그릇에 담는 일이라면 지금도 곧 할 수 있다. 다만 이것은 태양계가 '히트 데스'(에너지가 사용 불가능하게 된 상태)에 이르기 전의 일이며, 히트 데스에 이르면 아무 것도 발생되지 않는다. 물질을 새로 만들기 위해서는 태양 에너지는 지구상의 물질, 광물 그리고 금속이라는 '닫혀진 계'와 상호 작용하여 이것들을 변환시켜야 한다.

그러므로 새로운 물질이 생겼다고 해도 이와 같은 상호 작용에 의해 지각(地殼)을 구성하는 물질의 낭비가 촉진되는 것에는 변함이 없다.

◆생각하기

1. 열역학의 두 가지 기본 법칙에 대한 이해를 토대로 '엔트로피의 법칙'을 개념적으로 설명해 보자.

2. 이 글의 내용을 참고하여 엔트로피의 법칙이 사회에 적용되었을 경우 어떠한 관점이 성립될 수 있는지를 생각해 보고, 이 엔트로피의 패러다임을 사회에 적용하는 것의 효용과 그 적용의 부당한 측면에 대해서도 검토해 보자.


자료제공=송원학원 진학지도실

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