아인슈타인의 냉장고 - 2일차

아인슈타인의 냉장고 - 뜨거운 것과 차가운 것의 차이로 우주를 설명하다
폴 센 지음, 박병철 옮김 / 매일경제신문사 / 2021년 9월

베르누이는 기체에 열을 가하면 압력이 높아진다고 했다. 압력이라는 것은 공기입자의 운동으로 나타난 결과로 기체에 열을 가하면 입자의 속도가 빨라진다. 공기가 뜨겁게 느껴지는 이유는 공기의 구성입자들이 그만큼 빠르게 움직이고 있기 때문이라고 했다.

즉, 온도란 기체입자의 속도를 가늠하는 척도라는 것이다.

이런 베르누이의 기체의 운동이론은 푸대접을 받으며 명맥만 간신히 이어지다가 약 100년쯤 후인 1800년대 중반에 증기기관의 중요성이 부각되고 칼로릭 이론의 문제점이 드러나며 관심을 끌기 시작한다.

1857년 클라우지우스는 <우리가 열이라고 부르는 것의 특성과 운동>이라는 논문에서 베르누이의 가설을 소개한 후 기체 입자는 단순한 구형이 아니며 여러 개가 하나로 뭉쳐 복잡한 구조로 변할 수 있다는 설명을 더하였다. 기체의 열에너지는 진동과 회전, 직선운동 등 입자의 모든 운동을 더한 결과이며, 직선운동을 하는 입자들만이 온도에 기여한다고 하였다.

곧이어 기체분자는 아주 작기는 하지만 분명 크기가 있기 때문에 주변 분자들과 끊임없이 충돌하고, 빠른 속도로 움직이지만 곧 다른 분자와 부딪히며 수시로 경로가 바뀌므로 앞으로 나아가는 속도는 별로 빠르지 않다는 것을 밝혀낸다.

클라우지우스도 대단하지만 다른 뛰어난 과학자들보다도 먼저 공기가 입자의 집합이라는 개념조차 낯선 시기에 기체입자의 운동에 생각해낸 베르누이의 관찰력과 아이디어에 경외심을 표하지 않을 수 없다.

*리딩투데이 지원도서입니다*