맥스웰, 볼츠만, 기브스 by [아인슈타인의 냉장고]

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

<아인슈타인의 냉장고>

냉장고는 인류가 만든 발명품 중 

열역학에 가장 가까운 장치이자 

무조건 증가하려는 엔트로피에 

정면으로 맞선 과감한 시도의 산물이다. (p.201)

맥스웰은 클라우지우스의 이론을 보완하기 위해 

통계역학이라는 새로운 분야를 탄생시켰고,

기체의 운동이론을 입증했다.

찻잔을 실온에 방치해두면 

차가워지는 이유를 풀기위해

볼츠만은 열역학 제2법칙을 

분자규모에서 설명한다.

기브스는 열역학 지도를 완성했으며,

이를 이용해 냉장고가 발명되었다.

이후 기브스는 기브스의 법칙을 정립했고,

후속 연구자들에 의해 생명의 순환이 밝혀진다.​

냉장고를 생활에 편리한 

전자제품으로만 생각했는데,

냉장고가 엔트로피의 관점에서

시간을 늦추는 장치라니 놀랍다.

이 냉장고 덕분에 영양 상태가 향상되었고,

저온에서 보관하는 백신으로 인해

인류는 첨단의술의 혜택을 볼 수 있다.

코로나19로 인해 백신을 맞는 지금,

냉장고를 발명하게 이끈 여러 과학자들에게

경의를 표한다.​

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헬름홀츠, 톰슨, 클라우지우스 by [아인슈타인의 냉장고]

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

<아인슈타인의 냉장고>

베르누이의 보석 같은 이론이 

당대에 인정받지 못한 것은 

제아무리 뛰어난 과학 이론도 

문화적으로나 사회적으로 또는 

경제적 효용 가치가 없으면 

쉽게 사장될 수 있음을 보여주는 

대표적 사례였다. (p 146)

헬름홀츠는 에너지의 개념과

완전히 다른 것처럼 보이는 현상들

(중력, 물체의 운동, 전기 등)을 연결시켰다.

클라우지우스는 두가지 법칙을 세우며 

열역학을 탄생시켰다.

톰슨은 특별할 것도 없는 '식어가는 쇠막대'에서

우주의 최후를 예견했다.

톰슨은 절대온도를 정립했고,

클라우지스는 엔트로피의 개념을 떠올렸다.

클라우지우스가 떠올린 엔트로피의 기초는

베르누이가 세운 것이다.

베르누이는 기체에 열을 가하면 압력이 높아지고,

이는 입자의 속도가 빨라지는 것이다.

다시 말해 온도란 기체입자의 

속도를 가늠하는 척도다.

이를 바탕으로 클라우지우스는 액체와 고체까지

확장 적용해 '모든 물질은 끊임없이 움직이는

여러 개의 입자로 이루어져 있다'고 주장했다.

어떤 법칙이 만들어지고, 다시 수정되는 것이

오롯이 한명의 과학자가 해낸 것이 아니다.

같이 연구한 것은 아니지만,

발표된 논문으로 영감을 얻고,

자신의 가설을 발전시킨다.

또한 정반대의 생각도 나타나

오류가 있음을 깨닫게 해주고,

오류를 수정해 더 탄탄한 가설을 세우는

토대가 된다.

하지만 놀라운 법칙(가설)이라 할지라도

사회적으로 효용가치가 있어야

주목받을 수 있다.

그렇지 못한 가설은 묻혀져서

나중에 다시 발견된다.

다음엔, 논문의 역사적 가치를 좌우하는 요인이

저자뿐만 아니라 

누가 읽었는가에 좌우되는 경우도 소개된다.​

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증기기관과 효율, 카르노와 줄 by [아인슈타인의 냉장고]

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

<아인슈타인의 냉장고>​

이 모든 발전을 열역학 혼자 

이룩한 것은 아니지만, 

열역학이 없었다면 인류는 

지금처럼 풍요로운 삶을 누리지 못했을 것이다.

하수펌프와 제트엔진, 안전한 전기공급망과

생명을 살리는 생화학 등 

우리가 당연하게 여기는 현대 문명의 

모든 기술은 에너지와 엔트로피 그리고 

온도를 이해했기 때문에 탄생할 수 있었다. (p.9)

열역학이 지금 누리는 

문명의 이기를 탄생시키는 기초가 되었다니

정말 놀라운 일이다.

교과서에 열역학 몇법칙으로 외우고

관련 문제를 풀면 별 생각없이 지나갔는데

그 안에 숨겨진 뜻이 어마어마하단다.

그 뜻을 배우기 전에,

먼저 열역학 법칙이 정립되기까지의 

과정을 살펴보자.​

영국의 발전은 증기기관에서 비롯되었고,

초기는 엄청나게 비효율적이었다.

제임스 와트가 효율을 네 배 올린

엔진을 개발해 특허등록을 하지만

영국 산업의 걸림돌로 작용한다.

한편 프랑스의 사디 카르노는

칼로리 단어를 만들어 

열을 정량적으로 측정했다.

제임스 프레스콧 줄은 

칼로릭 이론에 의구심을 품고

열을 생산하는 전류의 특성을 파악했다.

카르노와 줄은 퍼즐의 두 조각이었다. 

그러나 톰슨을 비롯한 수많은 과학자들이 

최선의 노력을 기울였음에도 불구하고, 

퍼즐 조각은 한동안 제자리를 찾지 못했다. 

결국 이 문제는 신대륙에서 풀린다.​

어떤 법칙이라는 것이 

하늘에서 뚝 떨어지는 것이 절대 아니다.

단계별로 일련의 과정을 하나씩 밟아나가다가

끝에 이르러 마무리되는 느낌으로

법칙이 생겨난다.

열역학법칙 또한 그렇다.

과학자들의 가설, 실험, 연구, 수정 끝에

하나의 법칙이 만들어진다.

이제 신대륙에서 이 퍼즐을 

어떻게 맞출지 기대된다.

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