2-5. 자유 에너지 — 반응이 저절로 일어나는 조건

물은 왜 아래로 흐르고, 철은 왜 녹스는가?

어떤 일은 저절로 일어난다.

• 뜨거운 커피는 식는다.
• 철은 녹슨다.
• 얼음은 여름에 녹는다.
• 나무는 불을 붙이면 탄다.
• 소금을 물에 넣으면 녹는다.

어떤 일은 저절로 일어나지 않는다.

• 식은 커피가 저절로 뜨거워지지 않는다.
• 녹슨 철이 저절로 깨끗한 철로 돌아가지 않는다.
• 물이 여름에 저절로 얼지 않는다.
• 재가 저절로 나무가 되지 않는다.

이런 "저절로 일어남"과 "저절로 일어나지 않음"을 구분하는 기준은 무엇인가?

앞의 절들에서 우리는 열역학의 세 법칙을 배웠다. 그중 제2법칙은 "엔트로피가 증가하는 방향으로 진행한다"고 말했다. 맞는 말이다. 하지만 현실에서 이것을 직접 적용하기는 쉽지 않다. 왜냐하면 제2법칙이 말하는 엔트로피 증가는 시스템 + 환경을 합한 전체 우주의 엔트로피이기 때문이다. 커피가 식을 때, 커피의 엔트로피 변화와 주변 공기의 엔트로피 변화를 둘 다 계산해서 합산해야 한다. 번거롭다.

"시스템만 보고, 한 번에, '이 과정이 저절로 일어나는가?'를 판정할 수 있는 방법은 없을까?"

있다. 그것이 바로 **자유 에너지(free energy)**이다. 에너지와 엔트로피를 하나로 결합한, 놀랍도록 실용적인 물리량.