예를 들어 물에 잉크를 떨어뜨리면 시간이 지남에 따라 잉크 분자가 물 전체로 퍼져나가는 모습을 볼 수 있습니다. 이러한 현상을 ‘확산’이라고 부르죠. 잉크가 한 곳에 모여 있을 때는 질서 정연한 상태이지만, 퍼져나간 후에는 무질서한 상태가 됩니다.

자연은 이렇게 무질서한 방향으로 나아가려는 경향을 보입니다. 이를 ‘엔트로피 증가의 법칙’이라고 합니다.

그렇다면 엔트로피라는 개념은 어떻게 탄생하게 되었을까요?

19세기 독일의 물리학자 루돌프 클라우지우스는 열기관의 작동 원리를 설명하던 중 기존 이론 간의 모순을 발견했습니다. 당시에는 칼로릭 이론이 널리 퍼져 있었는데, 칼로릭 이론에서는 열을 물질처럼 취급하며, 높은 온도에서 낮은 온도로 이동하면서 일을 한 뒤에도 그대로 보존된다고 설명했습니다.

반면, 줄은 열 자체가 에너지의 한 형태이며, 일을 하면서 열이 에너지로 전환된다고 주장했습니다. 즉, 열과 일의 총량은 보존되지만 열 자체는 소모될 수 있다고 본 것입니다.

카르노의 이론을 보면, 열기관은 높은 온도의 열을 받아 일을 하고, 열은 소모되지 않은 채 낮은 온도로 방출된다고 합니다. 하지만 줄의 에너지 보존 법칙에 따르면, 일을 하는 동안 일부 열이 에너지로 변환되므로 방출되는 열의 양은 줄어들어야 합니다.

클라우지우스는 이러한 모순을 해결하기 위해 칼로릭이 보존된다는 생각을 과감히 버렸습니다. 대신, ‘열은 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동한다’는 카르노의 핵심 아이디어는 유지했습니다.

이 과정을 통해 클라우지우스는 1850년에 “열은 높은 온도에서 낮은 온도로 이동하며, 그 과정에서 일은 열에서 변환된 것이다”라는 주장을 담은 논문을 발표했습니다. 낮은 곳으로 방출되는 열은 원래 열량에서 일을 위해 사용된 만큼을 제외한 나머지라는 것입니다.

하지만 여전히 하나의 의문이 남았습니다. 왜 열은 항상 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동하는 것일까요?

이 문제에 대한 실마리는 영국의 과학자 윌리엄 톰슨(후에 켈빈 경으로 불림)에 의해 제공되었습니다. 그는 클라우지우스의 논문을 접하고, 아직 설명되지 않은 이 부분을 해결하고자 했습니다.

톰슨은 왜 열이 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동하는지 그 본질을 규명하기로 마음먹었습니다.

이해를 돕기 위해 하나의 예를 들어봅시다. 높은 온도에서 100의 열이 주어졌을 때, 그 중 40이 일로 변환되고 나머지 60이 낮은 온도로 이동하는 이상적인 열기관을 상상해봅니다. 이는 열기관이 높은 온도의 열을 받아 일부를 일로 변환한 뒤, 나머지를 낮은 온도로 방출하는 모습을 보여줍니다.

이러한 과정은 자연스럽게 엔트로피가 증가하는 방향으로 진행됩니다. 높은 온도에서 집중된 열 에너지는 일을 만들어내는 데 사용되고, 남은 열은 더 넓은 영역으로 확산되며 무질서도가 증가합니다.

결국 엔트로피란 자연계에서 일어나는 모든 변화의 방향성을 설명하는 열쇠입니다. 오늘날에도 엔트로피는 물리학, 화학, 생명과학 등 다양한 분야에서 필수적인 개념으로 활용되고 있으며, 우리가 사는 세계의 본질을 이해하는 데 중요한 역할을 하고 있습니다.