예를 들어서 매우 쉽게 열에 관한 개념을 알려주는 책이다. 그렇게 알게 된 원리를 다시 응용사례를 들어서 확인할 수 있다. 그런 점에서 교과서적인 지식을 습득하는 데 무척 도움이 된다. 호수의 물이 얼지 않는 이유가 물의 열팽창이 특이하기 때문이라는 사실은 무척 흥미로웠다. 물의 비열이 비교적 높기 때문에 몸의 온도가 잘 변하지 않는다는 사실도 알게 되었다.
온도가 높은 물질에서 온도가 낮은 물질로 이동하는 에너지를 열이라고 부릅니다...그리고 이때 이동한 열의 양을 열량이라고 하며, 단위로는 칼로리(cal)를 사용합니다. 따라서 1cal의 열은 물 1g을 1℃ 높이는 데 필요한 열량을 말한답니다. 그러므로 다음 사실을 알 수 있습니다. 열량은 물질의 질량에 비례한다. 열량은 온도 변화량에 비례한다.
모든 물질 1g을 1℃ 높이는데 1cal의 열량이 필요한 것은 아닙니다. 예를 들어 철 1g을 1℃ 높이는데 필요한 열량은 1/8cal입니다. 이때 1/8을 철의 비열이라고 합니다. 따라서 다음과 같은 공식을 얻을 수 있습니다. 열량=비열×질량×온도 변화
즉 1cal의 열로 물 1g은 1℃ 높일 수 있지만, 철 1g은 8℃ 높일 수 있습니다. 이렇게 같은 질량의 두 물체에 같은 열량을 공급해도 비열이 작을수록 온도 변화가 크다는 것을 알 수 있답니다. 이것은 비열이 작은 물질에는 열을 잘 흡수하는 성질이 있기 때문입니다. 이를테면 물보다는 철이 열을 잘 흡수하여 분자들의 운동이 더 활발해지기 때문에 온도가 더 많이 올라가는 것이죠. 다른 물질에 비해 비열이 큰 편에 속하는 물은 온도가 잘 변하지 않는답니다. 사람의 경우도 몸의 온도가 잘 변하지 않는 것은 몸의 70%가 물로 이루어져 있기 때문이지요.
열에 의해 물체의 길이가 늘어나는 것을 열팽창이라고 합니다. 왜 열팽창이 일어날까요? 온도가 높아지면 분자들의 운동이 활발해지기 때문이지요. 이를테면 온도가 높을수록 분자들 사이의 거리가 멀어지기 때문에 분자로 이루어진 물질들은 길어지게 되지요...하지만 같은 열을 공급해도 잘 늘어나는 물질이 있고 그렇지 않은 물질도 있습니다. 이때 비례 상수를 열팽창 계수라고 하는데, 이 계수가 클수록 열팽창이 잘되는 물질입니다. 그러므로 열팽창의 공식은 다음과 같지요. 늘어난 길이=열팽창 계수×처음 길이×온도 변화
대부분의 액체는 온도가 올라갈수록 팽창하여 부피가 커집니다. 하지만 물은 이상한 방식으로 열팽창을 합니다. 물은 4℃이상 온도가 오르면 팽창합니다. 온도가 4℃이하로 내려가도 팽창을 하지요. 즉 물은 4℃일 때 부피가 제일 작고, 온도가 그보다 커지거나 작아지면 부피가 커지게 되지요. 부피가 작다는 것은 밀도가 크다는 것을 말합니다. 밀도는 물질의 질량을 부피로 나눈 값입니다. 그러므로 부피가 작으면 밀도가 커지지요. 따라서 온도가 4℃일 때 물의 밀도가 가장 큽니다...밀도가 작은 물질과 밀도가 큰 물질이 함께 있으면 밀도가 작은 물질이 뜨게 된답니다....밀도가 큰 물질은 밀도가 작은 물질에서 가라앉습니다. 우리는 4℃일 때 물의 밀도가 가장 크다고 했습니다. 온도가 4℃인 물과 다른 온도의 물을 섞으면 온도가 4℃인 물이 무거워 밑으로 가라앉게 됩니다.
물체를 통해 열이 직접적으로 전달되는 것을 전도라고 합니다...열의 전도가 일어나려면 분자들 사이의 거리가 가까워야 합니다. 즉, 열의 전도는 주로 고체 상태의 물질에서 이루어지지요.
액체나 기체에서는 열이 어떻게 전달될까요? 이때의 열의 전달 방식을 대류라고 합니다.... 액체나 기체는 분자들이 멀리 떨어져 있지요. 그러니까 분자들이 열을 전달하기 위해서는 조금 더 움직여야 해요.
열의 전도와 대류는 분자들에 의해 열이 전달됩니다. 하지만 태양의 뜨거운 열이 지구로 오는 과정을 보면, 태양과 지구 사이에는 아무것도 없는데 어떻게 태양열이 지구로 와서 지구를 뜨겁게 해 줄까요?....뜨거워진 물체는 빛을 방출합니다. 그 빛을 받은 물체가 빛의 에너지를 흡수하여 뜨거워지는 것이 바로 복사이지요.
증발은 액체가 열을 공급받아 기체가 되는 과정입니다. 반대로 기체가 열을 빼앗겨 액체로 되는 과정을 응축이라고 합니다...구름이나 안개가 만들어지는 것도 바로 이러한 응축 현상이지요.
어떤 물질은 액체 상태를 거치지 않고 고체에서 기체로 또는 기체에서 고체로 변하는데, 이런 현상을 승화라고 하지요. 승화를 일으키는 대표적인 물질은 드라이아이스입니다. 드라이아이스는 사실 고체 상태의 이산화탄소를 말합니다. 이산화탄소는 -78℃에서 고체인 드라이아이스가 되는데, 이것이 열을 받으면 액체를 거치지 않고 곧바로 기체인 이산화탄소가 됩니다...눈에 보이는 김은 공기 중의 수증기가 차가운 드라이아이스와 접촉하여 응축되어 만들어진 물방울...기체 이산화탄소는 눈에 보이지 않습니다.
열과 역학적 에너지 사이의 관계를 다루는 물리를 열역학이라고 합니다...물질 속에 있는 모든 에너지를 통틀어 물질의 내부 에너지라고 합니다. 열을 이용하여 움직이는 기관을 열기관이라고 하지요.
열역학 제1법칙 : 열기관에 열을 공급하면 같은 양의 다른 형태의 에너지로 바뀐다.
열기관에 공급한 열=내부 에너지의 증가+열기관이 한 일
외부에서 열의 공급이 없어도 기체가 팽창하거나 수축하면 온도가 변합니다. 이렇게 외부에서 열이 공급되지 않는 과정을 단열 과정이라고 합니다. 이 경우 열기관에 공급한 열은 0이 됩니다. 다음과 같은 열역학 제1법칙으로 나타낼 수 있지요. 0=내부 에너지의 증가+열기관이 한 일 이때 열기관이 한 일이 (+)이면 내부 에너지의 증가가 (-)이므로 내부 에너지는 감소하고, 열기관이 한 일이 (-)이면 내부 에너지의 증가가 (+)이므로 내부 에너지는 증가합니다.
열역학 제1법칙은 에너지 보존 법칙입니다. 다시 말해 물질이 받은 에너지는 다른 종류의 에너지로 바뀌지만 모든 에너지의 합은 변하지 않는다는 거죠...따라서 외부로부터 에너지의 공급 없이 물체가 저절로 움직이는 일은 없습니다. 옛날 사람들은 외부 에너지의 도움 없이 저절로 움직이는 기관을 생각해 냈는데, 그것을 제1종 영구 기관이라고 합니다. 물론 열역학 제1법칙에 따르면 그런 기관은 만들 수 없지요.
엔트로피는 ‘~로 변하다’라는 뜻을 가진 그리스어 ‘엔트로페’에서 나온 말이지요. 엔트로피란 무질서한 정도를 나타내는 양입니다. 즉 무질서할수록 엔트로피가 크다고 말합니다. 2개의 서로 다른 알갱이를 섞었을 때 골고루 섞여 있는 상태가 가장 자연스러운 상태입니다...자연은 바로 확률이 높은 상태를 택하게 됩니다. 그러므로 두 물질이 섞이는 반응은 엔트로피가 커지는 방향으로 진행됩니다.
자연에서의 어떤 과정은 한 방향으로만 진행이 되고, 그 반대 방향으로의 과정은 저절로 일어나지 않습니다. 이것이 바로 열역학 제2법칙이지요. 그럼 어떤 방향으로 반응이 일어날까요? 열역학 제2법칙은 엔트로피 증가의 법칙입니다. 모든 반응은 엔트로피가 증가하는 방향으로 진행된다. 즉, 엔트로피가 점점 커져 최대가 될 때까지 반응이 이루어집니다.
모든 열기관은 높은 온도의 열원과 연결되어 있습니다. 이때 높은 온도의 열원에서 열기관으로 열이 흐르게 되지요. 그 열의 일부를 열기관은 일로 바꿉니다. 그리고 남은 열을 온도가 낮은 주위로 내보냅니다. 이것을 식으로 나타내면 열기관이 받은 열=열기관이 한 일+열기관이 방출한 열 모든 열기관은 자신이 받은 열을 모두 일로 바꿀 수 없습니다. 이때 열기관이 받은 열 중 열기관이 한 일의 비율을 열기관의 효율이라고 합니다. 즉, 효율이 100%인 열기관은 존재하지 않지요. 만일 그런 기관이 있다면 그것은 열역학 제2법칙에 위배되는데, 그런 기관을 제2종 영구 기관이라고 합니다. 물론 그런 영구 기관은 만들 수 없습니다.
볼츠만(1844~1906)
기체 분자의 운동에 관한 맥스웰의 이론을 발전시켜 맥스웰-볼츠만 분포를 정의했고 여기서 통계 역학의 기초가 되는 볼츠만 방정식을 발견했다. 또한 흑체의 복사에 대한 슈테판의 법칙을 열역학 이론으로 해석하여 슈테판-볼츠만 법칙을 발견했다. 열역학 제2법칙을 원자론을 바탕으로 설명하여 엔트로피의 개념을 통계적으로 밝히자 에너지론자들의 공격을 받았다. 볼츠만의 묘비에는 볼츠만이 발견하고 볼츠만 상수를 발견한 플랑크에 의해서 완성된 확률과 엔트로피 사이의 관계식이 새겨져 있다.
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