흥미진진한 과학이야기(102)- 결코 변하지 않을 우주의 법칙(3)_열역학 제1법칙

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흥미진진한 과학이야기(102)

결코 변하지 않을 우주의 법칙(3)_열역학 제1법칙

광속불변의 법칙을 제외한다면 우리 우주의 가장 단단한 법칙은 열역학 제1법칙과 제2법칙이다. 모두 열역학에서 배출했다. 그리고 이 법칙이 정립되었을 무렵을 일러 ‘과학혁명’의 시기라고 부른다. 혁명으로 불려도 좋은 이유는 이 법칙들이 지금까지와는 달리 우주의 탄생과 죽음까지 일목요연하게 설명해 주기 때문만이 아니며 현대의 전자기기 문명의 출발점이 되기도 하기 때문이다. 특히 열역학 제1법칙은 가장 단단한 초석이 되었다.

사단의 출발점은 증기기관이었다. 석탄을 연소시켜서 터빈을 돌리는 아이디어를 처음 낸 사람은 영국사람 토머스 뉴커먼이었다. 유명한 제임스 와트는 증기기관을 개량한 사람이다. 1796년의 일이다. 증기기관 열을 이용하여 터빈을 돌리는 장치 인데 95%의 열은 공중으로 사라져 버리고 겨우 5%만 동력으로 사용할 수 있었다. 한마디로 열효율이 엉망이었다. 이때 과학자들은 진지하게 열효율을 높이는 방법을 연구하기 시작한다.

열역학이라는 학문을 창시한 사람은 프랑스 물리학자 사디 카르노(1796~1832)였다. 지금은 너무나 상식이어서 코웃음이 나지만 카르노는 처음으로 열은 높은 온도에서 낮은 온도로 이동할 때만 힘을 얻을 수 있다는 사실을 증명한다. 상식들이 학문으로 정립되기 시작한 것이다. 그는 열손실이 전혀 없는 것으로 가정한 ‘이상 기체’를 이용하는 효율이 우수한 ‘카르노 기관’을 설계하여 열역학을 설명했다. 카르노는 ‘칼로릭’이라는 원소가 열을 높은 곳에서 낮은 곳으로 운반한다고 생각했다. 동시대의 프랑스 물리학자 앙페르 줄(1818~1889) 역시 패러데이의 전기모터가 작동하면서 열이 발생한다는 사실에 주목하고 있었다. 줄은 그림의 장치를 이용하여 일과 열의 관계를 하나의 법칙으로 정립하였다. 매달린 추는 아래로 내려오면서 물 속의 풍차를 돌려준다. 풍차에 의해서 돌려진 물은 운동(일)을 통해서 열이 발생을 하는데, 추의 무게와 물의 온도 변화가 일정한 관계를 맺고 있음을 증명한 것이다. 즉 일은 열로 전환이 되며, 에너지 총량은 결코 변하지 않되 일로 전환되지 못한 열은 엔트로피라는 상태함수로 계산되었다. 다음번 주제인 열역학 제2법칙의 주인공이다. 이 두 법칙은 결코 우리 우주에서 무너진 적이 없는 법칙이다. 상식과 과학은 서로의 경계를 넘나드는데, 한 때는 칼로리가 과학이었지만 지금은 J(줄)이 정답이다. 에너지와 일은 J(줄)로 표기하는 것이 정확하나 우리는 칼로리라는 말이 더 친숙하다.

에너지 보존법칙(열역학 제1법칙)은 현대 물리학의 핵심이다. 그러나 위기가 없었던 것은 아니다. 원자에너지 중에서 ‘베타 붕괴’가 처음 발견된 것은 1930년대였다. 베타붕괴란 중성자가 붕괴하면서 양성자와 전자로 변하면서 사라진 질량만큼 에너지를 토해내는 현상을 두고 하는 말이다. 핵폭탄과 핵발전의 원리이기도 하다. 과학자들이 처음의 중성자와 토해낸 에너지의 총량을 계산했을 때, 아주 작지만 사라진 에너지를 발견했다. 양자역학의 가장 중요한 창시자인 닐스 보어(1885~1962)는 양자들이 하도 기괴하게 작동해서인지 에너지 보존법칙이 약간은 깨질 수 있다고 생각했다(참고; [일어날 일은 일어난다] 박권). 그러나 천재 물리학자 볼프강 파울리는 ‘전기적으로 중성’인 미지의 물질을 예고하였고 엔리코 페르미는 이것을 ‘중성미자’라고 이름을 붙여주었다. 중성미자의 존재는 1946년에 검증되었고, 워낙 미세하여 질량이 있다는 사실은 1999년 일본의 슈퍼 카미오칸테 실험에서 밝혀졌다. 이제는 그 누구도 열역학 제1법칙을 의심하지 않는다.

 

문발동 쩜오책방 일반회원 허 심

 #136호

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