열역학 by 스티븐 베리

[ 밑줄/연결 ]

 

우리가 적절한 균형을 이루려면 과학자들이 셰익스피어에 대해 알고 있는 만큼 비과학자들도 열역학 제2법칙에 대해 알아야 한다고 주장했다.

 

전통적인 열역학의 거시적 접근과 기본 구성 요소인 원자를 기반으로 한 미시적인 설명 사이의 연결이다. 이 연결에는 특히 '통계역학'이라는 통계적인 방법이 적용되었다.

 

아인슈타인..."열역학은 가장 진실에 가까운 과학이다."

 

(1장. 열역학이란 무엇인가? 제1법칙)

 

그 어떤 것도 평형상태에 있지 않다는 명백한 사실에도 불구하고 고전적인 열역학은 이상적인, 즉 평형상태에 있는 시스템(계)에 관한 것이다.

 

거시적 시스템의 상태를 설명하는 데 사용되는 온도, 조성(composition), 부피, 압력과 같은 특성이 시스템을 관찰하는 동안 변화지 않고 유지되는 상태를 평형상태라고 한다.

 

특성들의 변화 방식이야말로 열역학 법칙의 핵심적인 내용이다.

 

미시적 설명에 적합한 특성 또는 변수에는 속도, 운동량, 각운동량, 위치 등이 있다. 이는 개별 원자와 분자의 충돌을 설명하는 데 적합하다.

 

일은 무언가를 구체적으로 이루기 위해 사용되는 에너지이다.

 

일은 열과 마찬가지로 어떤 원천에서 '흡입처'에 가해지는 일종의 에너지이다. 일은 매우 질서 정연하게 교환되는 에너지이다. 

 

열은 매우 무작위적이고 무질서하게 전달되는 에너지인 반면, 일은 매우 질서 있게 전달된다는 것을 알고 넘어가자.

 

열과 일은 항상 어떤 과정과 관련된 에너지 형태이므로 과정변수(Process Variable)이라고 한다. 반면, 온도, 압력, 질량, 부피는 시스템의 상태(원천적으로는 평형에 있는)를 나타내므로 상태변수(State Variable)라고 한다. 

 

제1법칙에 따르면 에너지는 절대로 새로 만들어지거나 파괴될 수 없으며, 한 형태에서 다른 형태로 변형될 뿐이다. 이를 에너지는 보존된다고 표현한다.

 

시스템 크기를 두 배로 늘리면 질량과 부피도 두 배가 된다. 이런 변수를 크기변수(Extensive Variable)라고 한다. 온도, 밀도, 압력과 같은 다른 특성들은 시스템의 크기에 전혀 의존하지 않는다. 이런 변수를 세기변수(Intensive Variable)라고 한다. 

 

일이란 시스템의 상태와 주변이 함께 변화할 때 우리가 행하거나 시스템이 수행하는 작업이다. 열은 시스템이 주변 환경과 상호작용하며 흡수하거나 방출하면서 교환하는 일종의 에너지이다. 일과 열은 상태변수가 아니라 과정변수라고 했다.

 

에너지를 새로 생성하거나 파괴할 수는 없으며, 에너지의 형태와 위치만을 바꿀 수 있다.

 

엔진이 작동하는 소리를 들을 수 있다는 것은 아주 적지만 열에너지의 일부가 마찰로 발생한 음파로 변환되었다는 사실을 알려준다.

 

열은 주로 시스템의 온도를 변화시키는 에너지 형태이다. 열은 시스템 상태 자체의 특성이 아니라, 상태가 변하는 어떤 것의 에너지 변화와 관련된 특성이다. 

 

온도는 각 기본 성분의 평균 운동, 특히 원자와 분자의 무작위 운동의 구체적인 척도이다. 열은 원자와 분자의 무작위 운동을 직접적으로 변화시키는 에너지 형태이다. 

 

(2장. 왜 시간을 거슬러 돌아갈 수 없는가? 제2법칙과 제3법칙)

 

일어날 수 없는 일에 관한 것으로, 일어날 수 있는 일과 없는 일을 구별함으로써 시간의 방향을 보여준다.

 

쉽게 말하면, 냉장고는 자연적으로 작동할 수 없다.

 

엔트로피는 어떤 식으로든 낭비되거나 의도 하지 않았거나 무질서한 것을 반영 또는 측정하는 것이다. 

 

거시적 상태를 관찰하는 것은 실제로는 미시적 상태들의 시간 평균을 관찰하는 것이다. 

 

정확하게 말하면, 엔트로피는 특정한 거시적 상태에 해당하는 미시적 상태의 수에 대하여 밑이 e로 주어지는 자연로그 값이다. 

 

핵심은 적은 수의 미시상태를 갖는 거시상태에서 더 많은 수의 미시상태를 갖는 거시상태로 시스템이 자발적으로 진화할 수 있으며 그렇게 변화할 것이라는, 직관적으로 타당한 아이디어이다.

 

제3법칙, 온도에 대해서는 '절대영도'라고 부르는 절대적인 하한점이 있으며, 실제로 유한한 단계를 거쳐서는 절대영도에 도달할 수 없다고 이야기한다.

 

(3장. 고전적인 열역학은 어떻게 생겨났는가? )

 

상은 시스템 구성 요소의 공간적 관계를 나타내는 특성이라고 할 수 있다.

 

카르노는 영구기관을 만드는 것이 불가능함을 깨닫고, 이를 기본 전제로 하여 모든 이상적인 기계는 동일한 한계 효율을 가져야 한다는 것을 보여주었다.

 

19세기 중반, 뉴턴역학과 진화하는 열역학 제2법칙은 서로 양립할 수 없다는 명백하고 심각한 문제가 발생했다. 뉴턴의 운동법칙은 모든 기계적 과정이 가역적일 수 있다는 것을 의미한다....반면 열역학 제2법칙은 다루는 시스템의 진화에 특이한 시간 방향을 제시했다.

 

(4장. 열역학을 어떻게 사용하는가, 혹은 사용할 수 있는가?)

 

열역학이 응용되는 분야는 냉각 과정과 관련된 것으로, 가장 명백하게는 냉장과 냉방이다. 이는 휘발성 물질을 증발시켜 원하는 만큼 온도를 낮추는 과정이다.

 

(5장. 열역학은 어떻게 진화해왔는가? )

 

시스템이 평형상태일 때 엔트로피가 최댓값을 갖는다는 것을 보여주었다.

 

(6장. 열역학의 전통적인 범위를 어떻게 넘어설 수 있는가?)

 

열역학은 거시적 시스템, 그 시스템의 평형상태, 평형상태 사이의 이상적인 변화, 이상적인 변화를 자연적인 한계로 취급함으로써 상태 간에 변화를 실행하는 실제 시스템의 성능에 대한 한계를 다룬다.

 

(7장. 열역학은 과학에 관해 무엇을 가르쳐줄 수 있는가? )

 

우리는 중력의 결과를 보지만 그 힘을 생성하는 것을 보지는 못했기에 아직 그 근원이 무엇인지 모른다. 이론과 일치하거나 이론으로부터 예측 가능한 결과를 관찰하는 것은 이론이 맞을 수도 있음을 알려줄 뿐이다.

 

과학은 최소한 두 종류의 지식, 관찰과 실험을 통해 배운 것과 실험의 해석을 통해 배운 것, 즉 우리가 이론이라고 부르는 지적 구조로 구성된다. 

 

(옮긴이의 말)

 

열역학을 한 번이라도 배워본 사람들이 대부분 동의하는 것은 너무 어렵다는 것이다. 아인슈타인은 열역학을 "기본적인 개념의 적용 틀이 결코 무너지지 않을 유일한 물리적 이론"이라고 말할 정도로 높게 평가했다. 

 

엔트로피가 원래의 엄격한 과학적 정의에서 벗어나 보다 폭넓게 적용될 때, 새로운 관점을 제공하는 유용함과 함께 부적절한 해석을 통해 개념의 혼란과 부작용의 위험도 함께 커질 수 있다는 점은 유념해야 한다. 

---> 대표적으로 제러미 리프킨 (Jeremy Rifkin)의 책...

---> 왜 이런 직업을 가진 사람이 필요한지 모르겠는 대표적인 직업.. 미래학자, 창의 컨설턴트, 경영학교수, 마음챙김XX지도사 등 

 

 

[ 자평 ] 184페이지 밖에 안되는데 184일 정도는 꼼꼼히 읽어야 이해가 될 듯...하지만 명품의 냄새는 맡을 수 있다.

 

이 분야 전공을 하지 않아 모르겠으나, 대학교재가 아닌 대중 교양서로 나온 열역학 책으로는 난이도가 있어 보인다. 

내가 읽은 열역학 관련된 내용이 좀 나온 책 중 괜찮은 것은.. 에릭 D. 슈나이더 (Eric D. Schneider)의 인튜 더 쿨

 

좀 된 책으로는 전파과학사의 책