[논문]일반화학 교재에 나타난 엔트로피 정의와 설명의 고찰

서영진; 채희권

doi:10.5012/jkcs.2009.53.1.062

[국내논문] 일반화학 교재에 나타난 엔트로피 정의와 설명의 고찰
Studies of the Definition and Explanation of Entropy in the GeneralChemistry Textbook 원문보기

대한화학회지 = Journal of the Korean Chemical Society, v.53 no.1, 2009년, pp.62 - 72

초록
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이 연구에서는 우리나라 대학에서 주로 채택하는 일반화학 교재를 포함한 미국에서 출판된 총 12 종의 일반화학 교재들에 있는 ‘엔트로피’의 정의와 설명방법을 분석하였다. 분석은 두 부분으로 구성된다. 하나는 같은 저자들이 저술한 교재의 판 별 변화를 살펴본 통시적 분석이며 다른 부분은 세 가지 영역 (엔 트로피 정의와 설명방법에 쓰인 무질서, 엔트로피 정의와 설명방법에 Microstates의 수 도입, 통계학적 엔 트로피와 열역학적 엔트로피를 배울 때의 오개념 가능성)으로 살펴본 내용적 분석이다. 연구 결과, 엔트로 피를 무질서의 정도라고 정의하는 것은 지양되었고, Microstates의 수를 이용한 설명 방법으로 대체 되었 다. 또한, 두 가지 다른 엔트로피가 존재한다고 믿는 오개념의 발생 가능성에 대한 주의점을 기술한 교재도 발견되었다. 엔트로피 설명방법의 이러한 변화를 새로운 교육과정에 반영하고 교사들을 재교육하는 것은 우리나라 화학교육의 발전에 중요한 일이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, entropy definition and explanation in twelve general chemistry textbooks published in USA including what Korean universities select are analyzed. Analysis consists of two parts. One is diachronic analysis which focuses on the change between editions of same authors and the other is contents analysis composed of three sections‐ disorder in entropy definition and explanation, microstates number in entropy definition and explanation, possibility of alternative conception in learning statistical entropy and thermal entropy. As a result, the definition that entropy is the measure of disorder is denied and explanation using microstates number is introduced. Also, caution for the possibility of alternative conception that there are two different entropies is found. Reflecting the change in entropy explanation on new chemistry curriculum and reeducating teachers are meaningful on improvement of Korean chemistry education.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

20 우선, 4판에서 볼 수 있었던 엔트로피를 무질서로 설명하는 것의 유용성을 인정하지만 microstates가 더 정확한 설명이라는 판단을 다룬 부분을 뺏으며 실제로 단원 전체에서 무질서를 이용한 설명을 찾을 수 없었다. 실제 엔트로피의 설명에서 무질서를 통한 엔트로피의 도입이 가장 빈번히 일어나는 상태변화에 대해서도 microstates를 이용하여 설명했으며 4판에 비해 엔트로피와 microstates의 관계를 확실히 설명하여학생들의 이해를 높이고자 했다.
엔트로피 재교육을 위한 청사진을 제공하고자 하는 본 연구는 우리나라에서 많이 쓰이는 대표적인 일반화학 교재를 중심으로 엔트로피 즉, 열역학 제 2법칙을 다루는 내용을 살펴 보았다. 우리나라의 이공계 대학 신입생들은 미국의 일반화학 책을 교재로 하여 강의를 받는다.
이러한 현실을 극복하고 엔트로피에 대한 좀더 쉽고 오개념을 줄일 수 있는 정의와 설명방법을 찾기 위해 본 연구는 우리나라 대학교 1학년 학생들이 화학을 배울 때 사용되는 미국의 일반 화학 교재를 중심으로 열역학 제2법칙 단원에서 다룬 엔트로피의 정의 및 설명 방법을 비교 분석 했다. 분석은 크게 통시적 분석과 내용적 분석으로 나누어 진행했다.

가설 설정

에너지의 분산은 microstates의 수에 영향을 준다. 예를 들어, 같은 속도를 가지는 분자로 이루어진 기체는 서로 다른 속도를 가지는 분자로 이루어진 기체에 비해 더 적은 microstates를 가진다.

제안 방법

(2)는 통계학적 설명으로 Boltzmann 공식을 이용하여 분자들의 운동에 대한 통계학적 분석에의 해 성 립 되 며 논문과 교과서 에 따라 positional entropy 또는 statistical entropy라고 소개되어 있지만 본 논문에서는 많은 교과서에서 사용하는 statistical entropy를 통계학적 엔트로피로 명 한다. 이 식에서 W는 시스템 내에 있는 microstates의 수를 의미한다.
본 연구는 일반화학 교재에 설명되어 있는 엔트로피 정의와 설명 방법에 대한 판 형 변화를 중심으로 살펴 본 통시적 분석과 ‘무질서’, ‘microstate 의 수,, '통계학적 엔트로피와 열역학적 엔트로피의 구분’을 기본 틀로 하고 세부 유형을 정리한 내용적 분석을 병행하여 일반화학 교재를 입체적으로 분석하여 다음의 결과를 얻었다.
이러한 현실을 극복하고 엔트로피에 대한 좀더 쉽고 오개념을 줄일 수 있는 정의와 설명방법을 찾기 위해 본 연구는 우리나라 대학교 1학년 학생들이 화학을 배울 때 사용되는 미국의 일반 화학 교재를 중심으로 열역학 제2법칙 단원에서 다룬 엔트로피의 정의 및 설명 방법을 비교 분석 했다. 분석은 크게 통시적 분석과 내용적 분석으로 나누어 진행했다. 변화된 엔트로피 개념을 교사들에게 재교육하고 올바른 엔트로피 정의와 설명방법을 가진 교과서 를 만드는 것은 화학교육의 질적 발전에 도움을 줄 것이며 학생들도 엔트로피에 대한 이해를 높여 화학 현상에 체계적으로 접근하는 계기가 될 것이다.
분석은 통시적인 접근과 내용학적 접근으로 나누어 진행했다. 엔트로피를 다루는 내용의 판 별 변화를 살펴보고자 하는 통시적인 접근은 개정횟수가 비교적 많은 교재 중에서 국내에서 가장 많이 쓰이는 Oxtoby와 Atkins의 일반화학 교재와 Brady가 저술한 교재를 분석하였다(Th仞e 1의 A~F).
분석틀은 microstates란 용어가 제시되고 엔트로피를 정의하는데 사용된 것을 유형1, microstates란 용어가 제시되진 않았지만 유사한 설명을 이용하여 엔트로피를 구체화 한 것을 유형2, microstates와 관련된 어떠한 진술도 없이 엔트로피를 정의한 것을 유형 3으로 분류하였다. 결과는 Table 3에 제 시하였다.
분석틀은 단원을 명확히 구분하고 두 가지 설명이 실제로 엔트로피를 설명하는 방법의 차이일뿐이며 결국 두 설명이 같은 것임을 보인 교재를 유형 1, 두 설명이 결국 엔트로피를 설명하는 다른 방법임을 분명히 보이지는 않았지만 두 설명을 혼재해서 쓰지 않고 단원을 명확히 구분한 교재를 유형2, 두 가지 설명을 혼재해서 사용하여 오개념을 유발할 가능성이 높은 구성의 교재를 유형3으로 분류하였다. 결과는 Table 4에 제시하였다.
분석틀은 무질서란 용어를 일체 사용하지 않는 교재를 유형 1, 단원의 도입부에서만 무질서를 통해 설명하고 무질서로 엔트로피를 제시하지 않은 교재를 유형 2, 상평형을 비롯한 구체적인 사례를 무질서의 증가로 설명한 교재를 유형3, 엔트로피를 무질서의 정도로 정의한 교재를 유형4로 분류 하였다.

성능/효과

넷째, 에너지가 증가할 때 다수의 학생들은 무질서도가 증가한다고 여긴다.
다섯째, 학생들은 엔트로피와 무질서를 같은 것으로 인식하거나 시스템 내에서 엔트로피를 무질서의 원인이라고 생각한다.
둘째, 엔트로피를 운동 에너지와 헷갈리는 경향이 있다.
또한 구체적 예시를 통해 엔트로피의 증가가 microstates 수의 증가와 관련이 있음을 보였다.
분석 결과 B, K만이 학생들이 통계학적 엔트로피와 열역학적 엔트로피가 서로 다른 종류로 이해할 수 있는 점을 지적하고 그 둘이 같은 결과를 도출함을 기술하였다. 2006년 이후에 출판된 F, I, J에서도 두 엔트로피에 관한 단원이 구분되어 있지 않은 것을 확인할 수 있었다(Table 4).
셋째, 관찰된 엔트로피에 대한 다른 오개념은 무질서를 카오스로 이 해 하는 것 에서 기 인한다.
셋째, 통계학적 엔트로피와 열역학적 엔트로피는 엔트로피를 설명하는 두 방법이다. 전자는 분자들에 초점을 맞춘 미시적인 측면에서 적용 가능하며 후자는 보다 거시적인 측면에서 적용 가능한 설명 방법으로 엔트로피를 설명하기 위한두 가지 다른 방법이지 두 가지 형태의 엔트로피가 존재하는 것은 아니다.
둘째, 엔트로피를 정성적으로 간단히 에너지의 퍼짐 정도로 이해하고 자연현상을 설명해야 한다는 Lambert는 microstates의 개념을 이용하여 그 수의 증가로 엔트로피의 증가를 설명하는 것이 바람직하다고 주장하였다. 실제 분석 결과 2002년 이후의 8개의 모든 교재들에서 microstates의 직접적인 언급이나 풀어 설명한 개념으로 엔트로피를 정의한 것을 찾을 수 있었다. 물론 microstates 는 양자 역학적인 이해를 바탕으로 설명될 수 있는 부분이기에 이를 저학년 학생들에게 구체적으로 제시할 수 없는 한계점이 있다.
일곱째, 우주의 엔트로피 총량은 변하지 않는다라는 보존 개념을 가지고 있다.
첫째, 엔트로피를 무질서로 설명하는 것은 세심한 주의를 요하며 지양되어야 한다. 무질서란 용어 자체가 열역학적인 맥락에서 설명을 하여도 학생들이 사용하는 일상적인 의미와 일치하기 때문에 오개념을 이끈다.
첫째, 학생들은 엔트로피를 주로 무질서의 정도로 이해한다.

후속연구

물론 microstates 는 양자 역학적인 이해를 바탕으로 설명될 수 있는 부분이기에 이를 저학년 학생들에게 구체적으로 제시할 수 없는 한계점이 있다. 그렇기 때문에 에너지의 퍼짐이란 정성적인 용어로 엔트로피를 도입하는것이 실제 정의에 비추어 바람직하다는 것인데 이의 실제 교육에서의 적용과 효용은 추가 연구가 필요할 것이다. 하지만 화학을 전공한 교사나 예비교사는 일반화학 수준에서 엔트로피에 관한 보다 정확한 개념을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
엔트로피에 대한 정확한 내용이 중등화학교육에 제시되고 이를 이해한 교사에 의해서 학생에게 교육되는 것은 대학으로 이어지는 유의미한 화학 교육 과정을 구성하는데 있어 필요하며 교과 내용학적으로도 우리나라 화학교육의 질적인 성장을 가져올 것이다. 이를 위해 화학을 가르치는 교사, 교과서와 교사용 지도서에서 엔트로피가 정확한 개념을 바탕으로 설명되는 것은 선행되어야 할 과제이며 2007년 고시에 따라 중등화학을 개편할 때 본 논문에서 살펴본 엔트로피의 최근 개념이 반영되기를 바란다.

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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