석군의 비밀수납장(Seokkun)

안녕하세요! 과학을 쉽게 설명하는 과학 유튜버 석군입니다. 오늘은 현대 열역학의 기본 원리이자 훗날 양자역학에 지대한 영향을 준 통계역학에 대해 설명해 드릴께요! 1. 통계역학이란? 통계역학은 물리학의 한 분야로, 열역학과 고전역학을 결합하여 미시적인 입자들의 운동과 상호작용의 확률분포로 거시적인 물질계의 움직임을 설명하는 학문입니다. 2. 고전 통계역학 통계역학 발전의 핵심 인물 중 한 명은 1859년 기체의 분자 속도 분포 개념을 정립하여 "열이론"을 발표한 제임스 클러크 맥스웰(James Clerk Maxwell, 1831-1879)입니다.  또 다른 주요 인물은 맥스웰의 이론을 발전시켜 개별 분자의 운동 측면에서 기체의 움직임을 설명하는 기체 운동 이론을 확립한 루트비히 볼츠만(Ludwig Boltzmann, 1844-1906)입니다.  (그는 전 포스팅에서 설명하였던 시스템의 무질서 또는 무작위성을 측정하는 엔트로피의 개념을 도입했죠. 사실 엔트로피는 무질서도가 아니라 높은 확률로 변해간다고 보는 것이 더 정확합니다!) 이 둘의 통계법은 ‘ 맥스웰-볼츠만 통계 ’라 부르며 일반적인 입자들의 움직임을 설명하는데 쓰입니다. 3. 양자통계역학 그런데 과학의 발전과 더불어 좀 더 미시적인 입자들의 움직임을 설명하는데는 ‘맥스웰-볼츠만 통계’는 한계를 보였습니다. ‘맥스웰-볼츠만 통계’는 모든 입자를 구별 가능한 별개의 입자로 보았지만, 양자역학에서 전자와 같은 기본 입자들은 한 상태에 2개 이상의 입자가 존재할 수 없으며, 우주 저 멀리 있는 전자나 지구에 있는 전자나 서로 구분할 수 없이 똑같다고 보기 때문이죠. 이는 온도가 낮거나 높을 때 매우 다른 값을 보여줬습니다. 그래서 이 양자역학의 원리를 따르는 기본 입자들에 대입 할 통계법은 맥스웰-볼츠만의 것과는 달라야만 했습니다. 이 새로운 통계법은 1926년 이탈리아 출신 물리학자 엔리코 페르미(Enrico Fermi, 1901-1954)에 의해 만들어졌으며, 영국 출신 물리학자 폴 디...

안녕하세요! 과학을 쉽게 설명하는 과학 유튜버 석군입니다. 오늘은 지난 시간에 이어 물리학 발전에서 아주 중요한 역할을 한 열역학에 대해 설명드릴께요! 길지 않으니 끝까지 고고! 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 에너지...