물리 전공 학생들의 엔트로피 개념에 대한 이해의 어려움 = Physics Students' Difficulties in Understanding the Concept of Entropy

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Although many physicists have maintained that entropy is a very
difficult concept for student to understand, few studies have been
conducted on students' understanding of entropy. The purpose of this
study is to investigate the difficulties that physics students
encounter in understanding entropy. The participants were 14
students who took a course on thermal statistics at the university.
First, we investigated the students' ideas about entropy: the main
difficulties in connecting the equations with the natural tendency
and in imagining thermal situations from a microscopic viewpoint.
Next, we analyzed the processes they used to solve problems. From
the results of our analysis, we found that many of the students did
not recognize the importance of `reversibility' in using the formula
`$dS = dQ/T$' and misunderstood a reversible process as `a process
that could be reversed spontaneously after it had occurred.' They
failed to notice the fact that the second law of thermodynamics can
apply only to an isolated system. Even though they believed that
work was related to an entropy change of the system, they did not
know how work could change the entropy of the system. Some students
did not consider both volume and temperature in predicting the
number of available microstates for the system. To overcome these
difficulties, we believe that it is necessary to be clear about a
`reversible process' and to recognize an `isolated system.' It is
also important to interpret macroscopic quantities with a
microscopic view and to know how thermodynamic processes are related
to entropy as a state variable.

국문 초록 (Abstract)

기존의 많은 연구자들이 엔트로피는 이해하기 어려운 개념이라고
주장하였으나, 실제 학생들을 대상으로 어려움을 조사한 연구는 거의
없다. 이에 본 연구에서는 대학에서 열 및 통계물리 수업을 수강한
14명의 물리 전공 학생들을 대상으로 엔트로피 개념 이해의 어려움을
조사하였다. 연구 결과에 따르면, 학생들은 엔트로피에 대한 수학적 식을
자연의 방향성과 연결시키는 것과 볼쯔만 정의와 관련하여 눈에 보이지
않는 상황을 상상해야 되는 것이 어렵다고 주장하였다. 문제 풀이
과정에서 학생들은 식 $dS = dQ/T$을 이용하면서 사건이 가역적으로
진행되는지의 여부를 고려하지 않았으며, 가역과정을 `저절로 처음
상태로 돌아가는 과정'으로 잘못 이해하고 있었다. 또 열역학 제2법칙은
고립계에 대해서만 성립함을 간과하고 있었다. 계가 주위환경에 행하는
일이 엔트로피와 관계가 있을 것으로 믿고 있었으나 이 둘 사이의 관계를
잘 알 수 없다고 대답하였다. 계가 갖는 미시 상태 수의 예측에 있어서는
계의 부피와 온도를 동시에 고려하지 않는 학생들이 있었다. 이와 같은
다양한 어려움을 극복하기 위해서는 가역과정에 대한 이해와 고립계에
대한 인식이 필수적이며, 미시세계와 거시세계가 어떻게 관련되며,
상태함수인 엔트로피와 열역학적 과정들이 어떻게 연결될 수 있는가를
살펴보는 것이 중요하다.

참고문헌 (Reference)

• 1 Parker, "McGraw-Hill Encyclopedia of Physics2nd ed" McGraw-Hill 1993
• 2 M. W. Zemansky, "Heat and Thermodynamics : An Intermediate Textbook 7th ed" McGraw-Hill, New York 176-, 1997
• 3 New York, "A Source Book in Physics" McGraw-Hill 1935