에너지 변환의 법칙

물질 더미에서 발생하는 에너지 변환에 관한 학문을 열역학이라 한다. 과학들은 연구 중인 물체를 지칭하여 계(system)라는 단어를 사용하며, 우주의 나머지 부분을 주변 환경(surroundings)이라 부른다. 보온병 속의 액체와 비슷한 고립된 계는 그의 주변 환경과 에너지나 물질을 교환할 수 없다. 열린 계(open system)에서, 에너지와 물질은 계와 그의 주변 환경 간을 이동할 수 있다. 생물은 열린 계이다. 생물은 에너지를 받아들이고, 이산화탄소 같은 대사 노폐물과 열을 주변 환경으로 방출한다. 열역학의 두 가지 법칙은 생물과 다른 모든 물체 더미에서의 에너지 변환을 지배한다. 열역학 제1 법칙에 따르면 우주의 에너지는 불변한다. 에너지는 이전되고 변형될 수는 있으나 창조되거나 멸할 수는 없다. 제1 법칙은 에너지 보존의 법칙으로도 알려져 있다. 전기회사는 에너지를 만들지 않고 단지 에너지를 사용하기 편리한 형태로 바꾸기만 한다. 햇빛을 화학 에너지로 바꿈으로써 초록 식물은 에너지 변환자로 작용하지만 이들이 에너지 생산자는 아니다. 치타는 생물학적 과정을 거치면서 음식물에 있는 유기물질들의 화학 에너지를 운동에너지와 다른 형태의 에너지로 변환시킬 것이다. 일이 수행되고 나면 이 에너지는 어떻게 될 것인가? 두 번째 법칙이 이 질문에 답하는 데 도움을 줄 것이다. 만약 에너지가 소멸할 수 없다면 왜 생물은 그들의 에너지를 몇 번이고 되풀이해서 간편하게 재 활동할 수 없는 것일까? 매번의 에너지 이전과 변환 과정 동안 에너지 중 일부는 불용의 에너지가 되어 일을 수행하는 데 사용할 수 없다는 것이 밝혀졌다. 대부분의 에너지 변환에 있어서, 적어도 부분적으로는 보다 쓸모 있는 형태의 에너지는 원자나 분자들의 무작위 운동과 관련된 에너지인 열로 바뀐다. 음식물에서 얻은 화학 에너지의 일부만 치타의 움직임으로 변환되며, 대부분은 주변 환경으로 급속히 소산되는 열로서 잃어버리게 된다. 다양한 종류의 일을 수행하는 화학반응을 실행하는 과정에서 살아 있는 세포는 조직적인 형태의 에너지를 불가피하게 열로 변환시킨다. 보다 따뜻한 위치에서 찬 위치로 열이 이동하는 온도 차이가 있을 때에만, 계는 열을 일하는 데 사용할 수 있다. 만약 온도가 살아 있는 세포에서처럼 균등하다면 화학반응 동안에 생성된 열에너지는 생물과 같은 물체의 몸통을 데우는 데만 사용된다. 에너지 이전이나 변환 동안 유용 에너지 손실의 결과는 그러한 일이 우주를 더 무질서하게 만든다는 것이다. 과학자들은 무질서 혹은 무작위성의 척도로서 엔트로피(entropy)라고 불리는 양을 사용한다. 더 무작위로 배열된 물질 더미는 그 엔트로피가 훨씬 크다. 이제 우리는 열역학 제2 법칙을 다음과 같이 말할 수 있다. 이전되거나 변환되는 모든 에너지는 우주의 엔트로피를 증가시킨다. 비록 질서가 국소적으로 증가할  수 있지만 전체적으로 볼 때 우주의 무작위화는 막을 수 없는 경향이다. 어떤 조직화한 계의 구조가 물리적으로 붕괴하는 과정에서 많은 경우 명백하게 엔트로피가 증가한다. 예를 들어, 보존되지 않는 건물의 점진적인 부식에서 엔트로피가 증가하는 것을 관찰할 수 있다. 하지만 우주의 증가된 엔트로피의 많은 부분은 불분명한데, 그것은 아마도 엔트로피가 증가된 열의 양이나 덜 정돈된 물체의 형태로 나타나기 때문이다. 치타가 화학 에너지를 운동에너지로 바꾸면, 음식물의 분해 산물인 작은 분자들과 열이 생성됨으로써 그 주변 환경의 무질서도 또한 증가한다. 엔트로피의 개념은 어떤 과정들이 왜 발생하는지를 이해하는 데 도움을 준다. 어떤 과정이 바깥의 도움 없이 독자적으로 발생하려면 우주의 엔트로피를 증가시켜야만 한다는 것이 밝혀졌다. 에너지의 투입 없이 발생할 수 있는 어떤 과정에 대해서 자발적이라는 단어를 사용하는 것에 먼저 동의하자. 우리가 여기서 사용하는 것처럼 자발적이라는 단어는 그러한 과정이 신속히 일어난다는 뜻은 아니라는 것에 유의하라. 폭발과 같은 몇몇 자발적 과정들은 사실상 순간적이지만, 사용기간이 끝난 낡은 차가 부식되는 것과 같은 과정들은 아주 천천히 일어나게 된다. 독자적으로 일어날 수 없는 과정은 비자발적이라고 말할 수 있으며 이는 계에 에너지가 가해졌을 때만 발생한다. 어떤 일들은 자발적으로 발생하고 어떤 일들은 자발적으로 발생하지 않는다는 것을 우리는 경험상 알고 있다. 예를 들어, 물은 자발적으로 내리막으로 흐르며, 어떤 기계가 중력을 거슬러 물을 퍼 올리는 때처럼 에너지의 공급이 있을 때만 오르막으로 이동한다. 사실 열역학 제2 법칙을 설명하는 또 다른 방법은 어떤 과정이 자발적으로 일어나기 위해서는 우주의 엔트로피가 증가하여야만 하는 것이다. 살아 있는 계들은 열역학 법칙에 의해 예측되는 바와 같이 그들 주변 환경의 엔트로피를 증가시킨다. 세포는 덜 조직화된 시작 물질로부터 질서가 잡힌 구조들을 만들어 낸다는 것은 사실이다. 예를 들어, 아미노산들은 특정한 서열의 폴리펩티드 사슬들로 조직화된다. 보다 단순한 시작 물질로부터 생물학적 과정을 거쳐 형성된 식물 뿌리의 극히 대칭적인 해부를 생체 수준에서 보여준다. 하지만 생물은 주변 환경으로부터 정돈된 형태의 물질과 에너지를 획득하여 보다 무질서한 형태로 바꾸어 놓기도 한다. 예를 들어, 동물은 먹은 음식물로부터 전분과 단백질 그리고 다른 복잡한 분자들을 얻는다. 이화 작용 경로가 이들 물질들을 분해하게 되면, 동물은 이산화탄소와 물을 방출한다. 화학 에너지의 고갈은 물질대사 동안에 생성된 열로 설명된다. 보다 큰 규모에서 보면, 에너지는 빛의 형태로 생태계에 들어오며 열의 형태로 떠나게 된다. 생명체의 초기 역사 동안에는 보다 단순한 조상으로부터 복잡한 생물체가 진화되었다. 예를 들어, 식물계의 선조는 녹조류라 불리는 훨씬 더 단순한 생물체에서부터 더 복잡한 현화식물까지 더듬어 올라갈 수 있는데, 오랫동안 점차 조직화하는 것은 결코 제2 법칙을 위반하지 않는다. 우주의 전체 엔트로피가 증가한다면 생물과 같은 특정 계의 엔트로피는 실제로는 감소할 것이다. 그래서 생물은 더욱더 무작위로 되어가는 우주 내에 있는 낮은 엔트로피의 섬이다.