비가역과정

3. 절대적 가역성과 통계적 가역성

물리학의 기본적인 이론적 법칙은 모두 시간 반전 대칭이지만,^[8] 실험적으로 '''실제''' 가역성의 확률은 낮으며, 시스템과 주변 환경의 이전 상태는 특정 범위 내에서만 회복된다(참조: 불확정성 원리). 열역학의 가역성은 본질적으로 통계적이어야 한다. 즉, 시스템의 엔트로피가 감소하는 것은 매우 드물지만 불가능한 것은 아니다. 다시 말해, 시간 반전 대칭은 시간이 거꾸로 흐르거나, 과정에서 상태의 순서가 반전될 경우(마지막 상태가 첫 번째가 되고 그 반대) 과정이 동일하게 일어나는 경우 충족된다.

4. 역사

1850년대 독일 물리학자 루돌프 클라우지우스는 엔트로피 개념을 도입하여 자연에서의 비가역성을 수학적으로 처음 정량화했다. 클라우지우스는 1854년 논문 "열의 역학적 이론에서 두 번째 기본 정리에 대한 수정된 형태에 관하여"에서 더 차가운 물체에서 더 뜨거운 물체로 열이 전달되는 것은 불가능하다고 말했다.

그러나 시스템의 미시적 분석과 거시적 상태 관찰을 조화시키려 할 때 역설이 발생했다. 많은 과정들은 고전적인 뉴턴 역학을 사용하여 분석할 때 미시적 상태에서 수학적으로 가역적이기 때문이다.

1872년부터 1875년까지 루트비히 볼츠만은 볼츠만 엔트로피 공식을 통해 이 역설에 대한 통계적 설명을 강화했다. 그의 공식은 윌리엄 톰슨, 1대 켈빈 남작이 주장한 분석을 정량화했다. 톰슨은 추상 역학의 운동 방정식은 완벽하게 가역적이지만, 물리적 과정은 비가역적이라고 말했다.^[10][11]

앙리 푸앵카레는 비가역적 시스템에 대한 또 다른 설명을 제시했다. 1890년, 그는 카오스 이론이라고도 불리는 비선형 역학에 대한 첫 번째 설명을 발표했다.^[12]

4. 1. 루돌프 클라우지우스의 엔트로피 개념

4. 2. 루트비히 볼츠만의 통계역학적 설명

4. 3. 앙리 푸앵카레의 카오스 이론

5. 비가역 과정의 예시

에너지 전달의 100% 효율을 달성할 수 없다는 점은 많은 비가역 과정의 원인이 된다. 다음은 과정의 비가역성에 기여하는 자발적인 사건 목록이다.^[13]

• 노화 (이 주장은 논란의 여지가 있는데, 쥐에게서 노화가 역전되는 것이 입증되었기 때문이다.^[14] NAD+^[15] 와 텔로머라아제^[16] 또한 노화를 되돌리는 것으로 나타났다.)
• 죽음
• 시간
• 유한한 온도 차이를 통한 열전달
• 마찰
• 소성 변형
• 저항을 통한 전류의 흐름
• 히스테리시스를 갖는 자화 또는 분극
• 제한되지 않은 유체의 팽창
• 자발적인 화학 반응
• 다양한 조성/상태의 물질의 자발적인 혼합

6. 복잡계와 비가역성

가역적 사건과 비가역적 사건의 차이는 복잡계(예: 생물체 또는 생태계)에서 특히 설명적 가치를 지닌다. 생물학자 움베르토 마투라나와 프란시스코 바렐라에 따르면, 생물체는 지속적인 존재를 가능하게 하는 자기생성의 특징을 갖는다. 일리야 프리고진은 더 원시적인 형태의 자기 조직화 시스템을 설명했다. 복잡계의 맥락에서, 죽음, 종의 멸종 또는 기상 시스템의 붕괴와 같이 특정 자기 조직화 과정의 종료로 이어지는 사건은 비가역적이라고 간주될 수 있다. 동일한 조직 원리(예: 동일한 DNA 구조)를 가진 클론을 개발할 수 있더라도, 이는 이전의 개별 시스템이 다시 존재하게 된다는 것을 의미하지 않는다. 생물체, 종 또는 기타 복잡계의 자기 조직화 능력이 적응할 수 있는 사건, 즉 사소한 부상이나 물리적 환경의 변화는 가역적이다. 그러나 적응은 유기체로의 네겐트로피 유입에 의존하므로, 환경에서 비가역적 과정이 증가한다.^[17] 지속 가능성 및 사전 예방 원칙과 같은 생태학적 원리는 가역성 개념을 참조하여 정의할 수 있다.^{[18][19][20][21][22][23][5][24][25]}

참조

_[1] 논문 Mathematical consequences and Gyarmati's principle in Rational Thermodynamics
_[2] 논문 Global analysis of dissipations due to irreversibility
_[3] 논문 Probability, ergodicity, irreversibility and dynamical systems
_[4] 간행물 Evolution rate of thermodynamic systems 2008
_[5] 논문 Irreversibility, entropy and incomplete information 2009-10
_[6] 논문 Statistical approach of the irreversible entropy variation
_[7] 논문 Irreversible Entropy in Biological Systems
_[8] 웹사이트 David Albert on ''Time and Chance'' http://www.isepp.org[...]
_[9] 논문 Maxwell and the normal distribution: A colored story of probability, independence, and tendency towards equilibrium
_[10] 논문 Irreversibility in quantum mechanics 2004
_[11] 서적 25 Years of Non-Equilibrium Statistical Mechanics
_[12] 웹사이트 "The 2nd Law of Thermodynamics" http://www.tim-thomp[...] 2002-02-19
_[13] 서적 Fundamentals of Engineering Thermodynamics John Wiley & Sons, Inc., USA
_[14] 논문 Reversal of biological clock restores vision in old mice 2020-12-02
_[15] 논문 Increasing ovarian NAD+ levels improve mitochondrial functions and reverse ovarian aging 2020-08-20
_[16] 논문 Reversal of brain aging by targeting telomerase: A nutraceutical approach 2021-09-10
_[17] 서적 Computation, Physics and Beyond https://www.academia[...] Springer Berlin Heidelberg 2012-01-01
_[18] 논문 Maximum principle and open systems including two-phase flows
_[19] 논문 Irreversibility and entropy in Rational Thermodynamics 2001
_[20] 논문 Thermoeconomic analysis of an irreversible Stirling heat pump cycle
_[21] 논문 The relativistic behaviour of the thermodynamic Lagrangian
_[22] 논문 Irreversible entropy variation and the problem of the trend to equilibrium
_[23] 논문 Hydrodynamics cavitation: from theory towards a new experimental approach
_[24] 간행물 The thermodynamic Lagrangian
_[25] 논문 Maximum entropy generation and κ−exponential model
_[26] 웹사이트 不可逆過程 - EMANの熱力学 https://eman-physics[...] 2022-08-09
_[27] 웹사이트 不可逆過程とは https://kotobank.jp/[...] 2022-08-09
_[28] 웹사이트 可逆過程と不可逆過程（可逆変化と不可逆変化） https://home.hiroshi[...] 2022-08-09