세상과 우주의 변화에 대한 방향을 찾아가는 특별한 시간!
세상과 우주는 도대체 어느 방향을 향해 나아가고 있을까? 이 거대한 철학적 질문에 대한 답은 의외로 열과 열역학의 원리를 탐구하던 가운데 튀어나온 엔트로피라는 양에 의해 발견되었다. 도대체 열과 엔트로피가 무엇이기에 이 어려운 철학적 질문에 대한 답을 제공할 수 있었을까. 이 책은 열과 엔트로피의 개념을 알아보기 위해 사전을 찾아보고 책을 읽어봐도 이해가 쉽지 않은 사람들을 위해 탄생하였다.
어떤 과학의 개념을 단지 원리적으로만 접근하면 이해하기 어려울 수 있으나 그 과학 개념이 탄생하기까지의 역사적 과정을 스토리텔링, 그림 등과 함께 따라가다 보면 저절로 쉽게 이해될 수 있다. 엔트로피의 개념은 오늘날 산업혁명의 원동력이 된 열기관의 원리를 캐는 가운데 도입되었다. 엔트로피의 개념을 원리적으로 이해하려 하지 않아도 이런 흥미진진한 역사적 과정을 통하여 자연스럽게 엔트로피의 개념을 이해할 수 있게 된다. 또한, 엔트로피의 과학적 개념을 인문학적 질문으로까지 확장하여 엔트로피가 시간, 경제, 생명, 한계자원, 교육 등에서 어떤 식으로 응용 확장되어 가는지 알 수 있다.
열과 엔트로피의 물리 개념을 이해하는 가장 좋은 방법!
우리가 사는 세상과 우주의 변화 방향까지 알려주는 열과 엔트로피의 개념을
흥미로운 스토리텔링과 함께 따라가 보자.
이 책은 열에서 엔트로피의 탄생까지 총 9개의 장으로 이루어져 있으면 상각각의 장은 아래의 세 부분으로 구성되어 있다.
도입 : 주제와 관련된 핵심적 역사내용으로 문제를 제기하면서 호기심을 유발
열을 이야기하기 위해 처음 1장에서 불의 발견 이야기로 시작하는 장면부터가 흥미롭다. 결국 열이라는 개념이 불의 발견부터 시작되기 때문이다. 또 열은 온도와 관련이 있으므로 온도가 무엇인지에 대한 질문을 던지는(2장) 장면부터 호기심이 유발된다. 이렇게 열에 대한 개념에 눈을 뜬 사람들이 기계에 의해 작동되는 증기기관을 발달시켜 나가는(4장) 장면은 본격적인 관심을 끈다. 그 가운데 도입된 열소설(5장), 에너지 개념의 등장으로 발견된 에너지 보존법칙(6장), 열역학 제1, 2법칙(7장) 등은 마치 숨겨진 비밀의 베일이 하나씩 풀리는 느낌이다. 결국 열기관의 원리를 과학적으로 설명하려는 노력에 의해 엔트로피가 도입되는 부분(8장), 엔트로피가 과학뿐만 아니라 우리가 살아가는 세상과도 관계가 있을 거라는(9장) 질문은 엔트로피에 대한 호기심을 유발하기에 충분하다.
본문 : 핵심적인 주제를 밝히기 위해 전개된 역사와 과학적 이론을 스토리텔링, 그림과 함께 소개
본문에서는 각 장의 주제에 대한 과학적 발견 과정들을 과학의 역사, 관련 그림 자료 등과 함께 소개하여 지루하지 않게 과학적 사실에 접근하게 해준다. 예를 들어 3장 ‘열역학의 태동’에서는 열 현상을 설명하기 위해 도입된 열역학과 통계물리학이 어떤 과정을 거쳐 확립하게 되었는지를 보일의 법칙과 샤를의 법칙이 등장하는 과정을 통해 설명해준다. 또 4장 ‘열기관의 발달’에서는 증기기관의 발달과정을 열 개념의 발달과정과 연관시켜 소개함으로써 흥미를 북돋운다. 그리고 이러한 열기관의 원리를 과학적으로 이해하기 위한 열소설, 에너지 보존법칙, 열역학 제1, 2법칙, 엔트로피 등이 등장하는 과정을 관련 과학자의 역사적 탐구 내용, 심지어 시행착오까지 적나라하게 다룸으로써 재미있게 내용을 따라가게 해주어, 결국 마지막에는 과학원리를 쉽게 이해하도록 돕는다.
열역학 산책 : 산책하듯 가볍게 열과 엔트로피와 친해질 수 있는 이야기들
사실 물리학에서 열과 엔트로피는 재미없고 딱딱한 주제일 수가 있다. 그래서 본 책에서는 가볍게 쉬어 갈 수 있는 ‘열역학 산책’ 코너를 마련해 두었다. 인류에게 불을 전해준 프로메테우스(1장) 이야기는 불에 대한 과학적 개념을 좀 더 자유롭게 해준다. 우주 공간의 온도는 어떻게 측정할까?(2장)라는 주제는 상상력을 확장시켜준다. 4장 ‘레인힐 기관차 경주대회’와 6장 ‘다양한 형태의 영구기관들’ 등은 잠시 과학개념에서 벗어나 머리를 식히기에 딱 좋은 주제다. 7장 ‘에너지를 재생하는 것이 가능할까?’와 8장 ‘원숭이가 책을 쓰는 것이 가능할까?’ 등은 쉬어가는 시간에 또 다른 사고력을 유발하기에 좋다. 9장 ‘공짜 점심 같은 것은 없다.’는 엔트로피의 개념을 좀 더 쉽게 익힐 수 있게 도와준다.
작가의 말 ㆍ 4
1장 인류 문명과 불
평화의 상징이 된 불 ㆍ 14
인류가 불을 사용하기 시작하다 ㆍ 18 토기를 만들다 ㆍ 21
청동기 시대 ㆍ 25 철기 시대 ㆍ 27 현대 문명의 불, 전기 ㆍ 30
열역학 산책: 인류에게 불을 전해준 프로메테우스 ㆍ 33
2장 물질과 열
셀시우스와 섭씨온도계 ㆍ 38
열운동과 내부 에너지 ㆍ 41 불이란 무엇일까? ㆍ 45
온도의 측정 ㆍ 49 물질의 상태 변화와 온도 ㆍ 54
열역학 산책: 우주 공간의 온도는 어떻게 측정할까? ㆍ 61
3장 열역학의 태동
보일의 『회의적인 화학자』 ㆍ 64
열역학과 통계물리학 ㆍ 67 보일의 법칙과 샤를의 법칙 ㆍ 69
열량과 비열 ㆍ 74 열적 평형상태와 열역학 제0법칙 ㆍ 8
에너지의 전달-대류, 전도, 복사 ㆍ 81
열역학 산책: 금속 의자가 왜 나무 의자보다 더 차가울까? ㆍ 85
4장 열기관의 발달
헤론의 구 ㆍ 88 파팽의 증기기관 ㆍ 91 세이버리의 진공기관 ㆍ 93
뉴커먼의 증기기관 ㆍ 94 와트의 증기기관 ㆍ 96 증기기관차의 발달 ㆍ 101 증기선의 등장 ㆍ 104
열역학 산책: 레인힐 기관차 경주대회 ㆍ 107
5장 열소설과 운동설
물레방아와 증기...기관 ㆍ 112 블랙과 라부아지에의 열소설 ㆍ 115 럼퍼드의 운동설 ㆍ 117
카르노와 열기관의 열효율 ㆍ 120 카르노 기관 ㆍ 125 열효율의 최댓값 ㆍ 128
열역학 산책: 우리말과 영어의 차이 ㆍ 133
6장 에너지 보존법칙
뉴턴역학과 에너지 ㆍ 138 에너지와 동력, 그리고 일률 ㆍ 141
마이어와 헬름홀츠의 에너지 보존 법칙 ㆍ 143
줄의 열의 일당량 실험 ㆍ 147 에너지 보존법칙 ㆍ 149 에너지 보존
법칙만으로는 설명할 수 없는 현상들 ㆍ 152
열역학 산책: 다양한 형태의 영구기관들 ㆍ 155
7장 열역학 제2법칙과 엔트로피
애국심이 강했던 클라우지우스 ㆍ 160
열역학 제1법칙과 제2법칙 ㆍ 163 엔트로피 ㆍ 169
엔트로피 증가의 법칙과 열기관의 열효율 ㆍ 175 엔트로피를 통해 본 세상 ㆍ 178
열역학 산책: 에너지를 재생하는 것이 가능할까? ㆍ 182
8장 엔트로피의 통계적 해석
원자와 분자는 실제로 존재하는가? ㆍ 186
분자 운동론적 해석 ㆍ 190 미시 상태와 거시 상태 ㆍ 193
통계적 엔트로피 ㆍ 199 통계적 엔트로피와 열역학 제2법칙 ㆍ 202
통계적 엔트로피는 실제로 측정 가능할까? ㆍ 206
상태의 변화와 자유 에너지 ㆍ 207 우주와 엔트로피 ㆍ 211
열역학 산책: 원숭이가 책을 쓰는 것이 가능할까? ㆍ 213
9장 열역학 밖으로 나간 엔트로피
과학적 엔트로피와 인문학적 엔트로피 ㆍ 218 슈뢰딩거의 『생명이란 무엇인가?』 ㆍ 221
생명체와 엔트로피 ㆍ 224 제레미 리프킨의 『엔트로피』 ㆍ 226
시간과 엔트로피 ㆍ 232 경제 발전과 기술의 진보 ㆍ 233 교육과 엔트로피 ㆍ 236
열역학 산책: “공짜 점심 같은 것은 없다.” ㆍ 239
| 부록 | 통계적 엔트로피를 왜 S=kBlogG로 정의했을까? ㆍ 242
현대 문명에서는 대부분의 에너지를 전기 에너지로 전환하여 사용하고 있다. 따라서 새로운 에너지원을 개발한다는 것은 전기 에너지로 전환할 수 있는 새로운 에너지원을 찾아낸다는 의미라고 할 수 있다. _32쪽
우리는 지금까지 열이 무엇인지, 우리가 측정하는 온도가 무엇을 의미하며 어떤 방법으로 온도를 측정하는지, 그리고 물질의 상태 변화와 열 사이에 어떤 관계가 있는지에 대해 알아보았다. 대부분이 교과과정에서 다루는 내용이어서 이미 잘 알고 있는 것들이다. 이것은 본격적인 운동을 하기 전에 하는 준비운동에 해당된다고 할 수 있다. _59~60쪽
1600년대부터 기초를 다지기 시작한 열역학은 1800년대에 열역학 제1법칙과 열역학 제2법칙이 확립되면서 완성되었다. 그러나 통계물리학은 분자들의 운동을 통계적으로 분석하기 시작한 1800년대 후반에 시작되어 양자역학이 성립된 1900년대 초에 크게 발전했다. _68쪽
열기관의 등장과 발전은 인류 문명의 역사를 크게 바꾸어 놓았다. 열기관의 등장으로 사람의 힘이나 가축의 힘을 이용해 하던 일들을 열기관으로 작동하는 기계들이 하게 되었다. 열기관이 널리 사용되자 더 나은 열기관을 만들기 위해 열을 연구하는 사람들이 나타나게 되었고, 따라서 열과 관련된 현상을 설명하는 열역학이 발전할 수 있었다. _91쪽
증기기관의 작동원리를 연구하던 과학자들은 물레방아가 작동하는 방식과 증기기관이 작동하는 방식에 공통점이 있다는 것에 주목했다. 물레방아가 작동하기 위해서는 높은 곳에서 낮은 곳으로 떨어지는 물이 있어야 하는 것과 마찬가지로 증기기관이 작동하기 위해서는 높은 온도에서 낮은 온도로 흐르는 열이 있어야 했다. _113쪽
카르노가 열기관의 열효율과 관련한 중요한 사실을 알아내기는 했지만, 그는 아직 잘못된 이론인 열소설에서 벗어나지 못하고 있었다. 따라서 열역학의 과제는 열소설을 이용하지 않고도 어떻게 카르노가 얻어낸 결론을 설명하느냐 하는 것이었다. 그 일을 해내기 위해서는 우선 열이 열소라는 물질의 화학 작용이 아니라 에너지의 한 종류라는 것을 밝혀내야 했다. _132쪽
역학에서 에너지 개념이 받아들여지자 열역학에서도 에너지 개념을 도입하기 시작했다. 과학자들 중에는 열기관의 작동은 물론 우리가 체온을 유지하고 활동을 하기 위해 음식물을 먹어야 하는 것도 에너지를 이용하여 설명하려는 사람들이 나타났다. 그리고 실험을 통해 역학적 에너지와 열 사이의 관계를 밝혀내기도 했다. 이런 과학자들의 노력으로 열도 에너지의 한 종류라는 것이 밝혀졌고, 열을 포함한 에너지 보존법칙이 확립될 수 있었다. _140쪽
클라우지우스는 열이 왜 높은 온도에서 낮은 온도로만 흐르는지를 설명하려고 하는 대신 그것을 열이 가지고 있는 본성의 하나로 받아들이기로 했다. 다시 말해 열이 높은 온도에서 낮은 온도로만 흐르는 것을 새로운 열역학 법칙으로 정하자고 제안한 것이다. _163쪽
이제 클라우지우스는 이 새로운 물리량이 에너지와 비슷한 성격을 가진다는 점에 주목하여 엔트로피라는 이름을 붙였다. 에너지의 어원은 힘이나 활력 등을 의미하고, 엔트로피의 어원은 변화를 의미한다. 변화의 의미를 가진 엔트로피라는 이름을 붙인 것은 열이 동력으로 전환되는 과정에서 이 양이 중요한 역할을 한다고 생각했기 때문이다. 엔트로피라는 새로운 물리량은 이렇게 해서 세상에 그 모습을 드러내게 되었다. 클라우지우스는 엔트로피를 열량을 온도로 나눈 양으로 정의했다. _171쪽
따라서 우주의 총엔트로피는 항상 증가해야 한다. 138억 년 전에 있었던 빅뱅으로... 시작된 우주는 팽창하면서 식어가고 있다. 그것은 우주의 총엔트로피가 증가하는 변화이다. 우주 이곳저곳에서는 별들이 핵융합 반응을 하면서 에너지를 방출하고 있다. 이것 역시 우주 엔트로피를 증가시키는 변화들이다. 지구에는 많은 종류의 생명체들이 살아가고 있다. 우주의 다른 곳에도 생명체가 살고 있는지 현재로서는 알 수 없지만 생명체도 우주의 엔트로피를 증가시키는 역할을 하고 있다. _211쪽
수식으로부터 해방된 엔트로피와 엔트로피 증가의 법칙 이야기는 쉬운 이야기처럼 보일 수도 있지만, 논리적 인과관계가 명확하지 않아 정확한 의미를 파악하기 어려운 이야기가 될 수도 있다. 그러나 그렇다고 해도 엔트로피와 엔트로피 증가의 법칙을 이용한 분석이 주는 신선한 충격이 줄어들지는 않을 것이다. _220쪽
곽영직 [저]
서울대학교 자연과학대학 물리학과를 졸업하고, 미국 켄터키대학에서 박사학위를 받은 후 수원대학교 물리학과 교수로 재직하면서 자연과학대학장, 대학원장 등을 역임했다. 『세상을 바꾼 열 가지 과학혁명』, 『인류 문명과 함께 보는 과학의 역사』 등 다수의 과학 해설서를 펴냈고, 『오리진』, 『빅뱅』 등 다수의 과학책을 번역하였으며, 『왜 땅으로 떨어질까』를 비롯한 다수의 어린이용 과학책을 저술했다.
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