[2편] 열역학에 관한 이야기-물리학

열역학의 역사

열역학을 공부하기에 앞서 열역학의 역사를 짚어보는 것이 좋습니다. 사람을 알기 위해선 그 사람의 과거가 중요하듯 학문의 과거를 아는 것은 깊이를 더 할 수 있습니다. 열역학은 일상생활에 밀접하고 또한 많은 실험과 검증이 수반되는 것이기 때문에 열역학의 발전은 점진적으로 이루어졌습니다. 즉 열역학은 사과를 보고 만유인력의 법칙을 생각해낸 뉴턴의 업적과 같은 것이 아니라 앞선 아이디어들을 조금씩 개선시키면서 이루어진 것입니다. 열역학의 태동은 1600년대로 돌아가 볼 수 있습니다. 그때 당시엔 사람들이 공기, 물, 불, 흙으로 모든 것이 이루어졌다고 생각했습니다.

온도계의 발명

온도계의 발명

그러나 온도에 대해서는 조금의 관심이 있었는데 1592년 갈릴레이 갈릴레오가 최초의 실용적인 온도계를 발명하였습니다. 물론 이것은 정확한 온도를 가리키는 것은 아니었고 대충의 온도 변화만을 감지할 정도였는데 아무튼 시작은 중요합니다. 그 이후로 온도계는 점차 발전을 했고 현재와 비슷한 온도계가 1650년에 만들어집니다. 특히 1600년대의 가장 중요한 업적이라고 하면 대기압에 대한 인식이 생겼다는 것입니다.

증기기간차

증기기관의 발명

당시 석탄과 같은 광물을 캐기 위해 지하로 탄광을 파곤 했었는데 지하로 들어가다 보면 지하수로 인해서 탄광에 물이차 오르게 됩니다. 따라서 물을 펌프로 퍼내야 했습니다. 그런데 이상한 일이 생기기 시작합니다. 지하 10m 이상 내려간 곳부터는 펌프가 끌어올릴 수 없었던 것입니다. 그래서 1644년 갈릴레오의 제자였던 토리첼리가 대기 압력이 물 10m 기둥의 압력과 같다는 결론을 내리게 됩니다. 한편 영국에서는 1660년 왕실 학회를 창설해서 과학자들의 연구를 도와줍니다. 노력이 열매를 맺어서 1662년 보일이 PV = 일정이라는 법칙을 발표하고 이것은 17-18세기 산업혁명을 일으킨 증기기관의 특허에 사용되게 됩니다.

열역학의 탄생

18세기는 세기 초부터 인상적인 연구결과가 있습니다. 먼저는 뉴턴의 냉각 법칙의 발표와 하나는 온도계측에 대한 표준 확립, 그리고 샤를의 법칙입니다. 냉각 법칙의 발표로 열역학 이해에 필수적인 열전달 중 대류열전달의 해석의 기초를 마련했습니다. 섭씨온도와 화씨온도계가 또한 이때 확립되었습니다. V/T=일정이라는 샤를의 법칙도 이때 정립됩니다. 앞선 보일의 법칙과 함께 이상기체 방정식을 만들 수 있게 되었습니다. 19세기에 이르러서는 비로소 열역학이 성숙된 학문으로써 위치를 다지게 되는데 아보가드로의 법칙이 정립이 되었고 카르노란 사람이 열기관은 항상 효율 100% 이하에서 일한다는 것을 공식화해서 열역학 제2법칙을 제창했습니다. 또한 줄에 의해서 에너지 보존법칙이 정립이 되는데 이 법칙을 열역학 제1법칙이라 부르고 있습니다. 이 두 가지 열역학 법칙들은 열역학의 해석에 기초가 되는 것입니다. 그 후 카르노의 열역학 제2법칙을 이용하기 쉽게 하기 위해서 켈빈과 톰슨은 절대온도를 개발하게 되었습니다. 현재 절대온도를 켈빈 온도라고 부르고 톰슨은 열에너지에 관한 학문을 열역학이라 처음으로 명명한 사람이 되었습니다. 그 후 20세기에 이르러서는 열효율을 높이는 기관들의 발달이 이루어지게 되었습니다.