열기관에서 엔트로피로: 열역학의 역사
- 공유 링크 만들기
- 이메일
- 기타 앱
열역학은 19세기에 확립된 물리학의 한 분야로, 이후 물리학, 공학 및 화학을 포함한 많은 분야의 기초가 되었습니다. 열역학은 열, 에너지, 그리고 일 간의 관계를 다루며 내연기관, 발전소 및 냉동 시스템과 같은 에너지 변환 장치의 동작을 이해할 수 있는 근거를 제공합니다.
1. 열역학 제1법칙
에너지 보존 법칙으로도 알려진 열역학 제1법칙은 1841년 독일의 물리학자 쥴리어스 로버트 폰 마이어(Julius Robert von Mayer, 1814-1878)에 의해 탄생되었습니다. 이 법칙은 에너지는 생성되거나 파괴될 수 없으며, 오직 한 형태에서 다른 형태로 변환될 뿐이라고 말합니다. 방의 온도를 올리든 내리든 거기에 투입된 에너지의 총 합은 항상 같다는 거죠. 즉, 전체 우주의 에너지는 더 증가하거나 감소하지 않고 항상 일정하다는 것입니다.
2. 열역학 제2법칙
엔트로피의 법칙으로도 알려진 열역학 제2법칙은 1824년 프랑스 엔지니어 니콜라 사디 카르노(Nicolas Sadi Carnot, 1837-1894)에 의해 처음 공식화되었습니다. 이는 열이 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 이유를 설명합니다. 자세히 들여다보면 이 법칙은 모든 에너지 전달 또는 변환에서 일부 에너지는 불가피하게 폐열로 손실 된다고 설명합니다.
쉬운 예로 선풍기를 돌리기 위해 투입된 전기에너지는 그 에너지 100을 팬을 돌리는데 모두 쓰지 못하고 일부는 모터의 높아진 온도인 열 에너지로서 손실되는 것을 참고할 수 있겠습니다. 이 열로 변환된 에너지를 다시 원 상태로 돌려놓으려면 그 이상의 에너지가 필요합니다. 여기엔 차가워진 방 온도와 별도로 높은 전기세와 에어컨 실외기에서 뿜어져 나오는 높은 열을 생각하면 쉽겠죠.
이것은 결국 우주의 모든 에너지는 시간이 지남에 따라 열 에너지로서 고루 분포된다고 설명하고 있습니다. 온도가 고루 분포되는 이유, 즉, 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 열이 흐르는 이유를 설명하는 것이죠.
이는 '엔트로피'란 용어로 수치화하여 우주는 점점 무질서한 쪽으로 변화해간다는 ‘무질서도’로 설명하기도 하지만 훗날 열역학에 대한 통계 역학 접근 방식을 확립한 제임스 클러크 맥스웰(James Clerk Maxwell, 1831-1879)과 루트비히 볼츠만(Ludwig Boltzmann, 1844-1906)에 의해 우주는 더 높은 확률의 방향으로 변화해간다는 것으로도 설명하게 됩니다.(통계역학은 다음 글에서 더 자세히 다룰꺼에요!)
3. 열역학 제3법칙
열역학 제3법칙은 1900년 독일 물리학자 막스 플랑크(Max Planck, 1858-1947)에 의해 만들어 졌습니다. 이 법칙은 시스템의 온도가 절대 영도(0K, -273.15℃)에 가까워지면 시스템의 엔트로피가 0에 수렴한다는 것을 나타냅니다. 하지만 현실 세계에선 결코 0이 될 수 없습니다. 열역학 제2법칙에서 설명하듯 주변의 보다 높은 온도에 의해 끊임 없는 열의 이동이 발생 할 것이기 때문이죠. 이는 현재 양자역학으로도 설명 가능합니다. 절대 0도라는 것은 내부에너지가 0이라는 것인데, 그렇다면 위치와 운동에너지가 정확하게 결정되어있다는 것인데… 이는 양자역학의 불확정성 원리에 위배되겠죠?(아직 불확정성 원리를 모르시는 분들은 앞으로 제 블로그의 글들과 유튜브 채널의 영상들을 지속적으로 봐주시면 이해하기 쉬울 겁니다^^)
열역학 분야는 마이어(Mayer), 카르노(Carnot), 맥스웰(Maxwell), 볼츠만(Boltzmann), 플랑크(Planck) 등을 비롯한 수많은 과학자와 엔지니어의 공헌으로 크게 발전했습니다. 이러한 주요 수치는 열역학의 기초를 확립하고 발전소, 공조 및 냉동 시스템, 기타 열 시스템 설계의 기초를 제공했습니다. 오늘날 열역학은 기계 공학, 전기 공학, 재료 과학 및 화학을 포함한 광범위한 분야에서 계속해서 중요한 역할을 하고 있습니다.
자! 그럼 다음 이야기로 넘어가죠!