자유팽창

요약 물체가 외부에 대하여 일을 하지 않고 팽창하는 현상으로, 진공 중에서 기체가 팽창하는 경우를 들 수 있다. 이 때 기체의 에너지와 온도는 변하지 않는다. 그러나 엔트로피는 증가하게 된다. 따라서, 이 현상은 비가역적이므로 팽창한 것을 다시 되돌릴 수는 없다.

진공 중에서 가 분출(噴出) 하는 경우와 같다. 가령 어떤 네모난 그릇을 반으로 칸막이하고, 그 한쪽에는 기체를 채우고 다른 한 쪽은 진공으로 그냥 둔다(상태 A). 그랬다가 칸막이 판자를 갑자기 잡아 빼면 기체는 그릇 전체에 퍼진다(상태 B). 이 때 기체의 부피는 2배로 되지만 외부와 을 주고 받지 않기 때문에 기체가 가진 에너지는 변하지 않으며 온도도 거의 변화가 없다. 이것을 자유팽창이라고 한다.

그런데 이 변화에서의 엔트로피 변화를 계산하기 위해서 변화 A→B를 ‘천천히’ 할 필요가 있다. 칸막이 판자를 서서히 후퇴시키면 되는데, 그렇게 하면 기체는 칸막이 판자를 밀고 일을 하기 때문에 에너지를 잃고 온도가 내려간다. 그래서 자유팽창과 똑같은 결과 B로 만들기 위하여서는 칸막이 판자를 후퇴시키면서 줄곧 조금씩 가열하지 않으면 안된다. 가열을 하면 엔트로피가 늘어나기 때문에 B상태의 기체는 A상태보다도 더 많은 엔트로피를 가지게 된다. 이것이 자유팽창에 있어서의 엔트로피 변화를 나타내게 된다.