손에 잡히는 열역학 개론서

열역학 - 열과 일, 에너지와 엔트로피의 과학 ㅣ DEEP & BASIC 시리즈 5
스티븐 베리 지음, 신석민 옮김 / 김영사 / 2021년 3월

세계적인 물리학자 스티븐 베리 저자가 과학적 배경지식이 거의 없는 사람들을 염두에 두고 쓴 책 <열역학>. 아인슈타인은 "결코 흔들리지 않을 유일하고 보편적인 이론"이라고 말했을 만큼 근본적이며, 우리의 일상에 깊이 스며들어 있는 오랜 역사를 지닌 열역학.

​과알못이라 해도 열역학이나 엔트로피 단어는 들어봤을 겁니다. 사물의 엔트로피를 반전시켜 상대적으로 시간을 거슬러 올라가도록 만드는 미래 기술 인버전 개념이 나왔던 영화 테넷을 재미있게 봤다면 더욱 관심 있게 읽을 수 있습니다.

초미세 입자에서 은하계 전체에 이르기까지 우주에서 관찰되는 모든 것에 적용되는 열역학 개념은 최근 브라이언 그린의 저서 <엔드 오브 타임>을 통해서 먼저 맛봤는데 스티븐 베리의 <열역학>으로 열역학의 핵심을 제대로 알아봅니다.

현재 우리가 끊임없이 사용하는 열역학. 열과 일의 관계에 관한 학문입니다. 저자는 이 책을 쓰게 된 이유 중 하나로 영국 과학자이자 소설가인 찰스 퍼시 스노의 에세이 <두 문화>에서 비롯된 과학자 문화와 인문학자 문화 사이의 괴리에 공감했기 때문이라고 합니다. 과학자들이 셰익스피어에 대해 알고 있는 만큼 비과학자들도 열역학 제2법칙에 대해 알아야 한다고 말입니다.

오랫동안 열역학 강의를 해온 노학자의 노하우가 담긴 책 <열역학>은 직접적으로 열역학의 세 가지 법칙을 먼저 설명합니다. 온도, 압력, 부피, 열, 일, 에너지, 평형, 엔트로피 등 열역학의 기본 개념부터 시작해 우리가 에너지보존법칙으로 잘 알고 있는 열역학 제1법칙을 소개합니다. 당연하고 사소해 보이지만 열, 일, 전자파, 중력, 질량 등 에너지가 취할 수 있는 모든 형태를 생각해 보면 얼마나 놀랍고도 멋진 법칙인지 깨닫게 합니다.

열역학 제2법칙에서 중요한 건 엔트로피 개념입니다. 엔트로피라는 단어는 사회학, 생물학, 정치학 등 다양한 분야에서 사용되고 있을 만큼 익숙한 단어이지만 그 정체를 제대로 알지는 못했을 겁니다. 일어날 수 있는 일과 없는 일을 구분함으로써 시간의 방향을 알려주는 제2법칙의 매력을 만끽할 수 있습니다. 제3법칙은 온도에는 절대영도라는 절대적인 하한점이 있고, 실제로 유한한 단계를 거쳐서는 절대영도에 도달할 수 없다는 법칙입니다.

열역학 법칙에 대해 설명하면서 그 법칙이 우주와 그 속의 사물들이 어떻게 움직여야 하는지에 관한 기본적인 설명을 하고 있습니다. 그리고 어떻게 실용적인 다양한 목적으로 이용되는지 살펴봅니다.

열역학의 역사를 통해 어떻게 지금에 이르게 되었는지도 보여줍니다. 열역학은 광산에서 물을 퍼내는 펌프를 더 효율적으로 구동시키는 문제에서 촉발된 과학이라고 합니다. 증기기관의 원리와 발전사, 열의 정체에 관한 논쟁 등 의외로 열역학의 역사는 아주 힘들게 진화해왔음을 깨닫게 됩니다. 이를 통해 서로 경쟁하고 충돌하는 개념들을 해결하며 과학이 진화하는 방식에 대한 통찰도 얻을 수 있습니다.

일상생활에서 수행하는 많은 일의 성능을 향상시키는 방법에 관한 열역학. 열역학이 실제 어떤 분야에서 어떻게 사용되는지 알면 알수록 흥미진진합니다. 냉장, 냉방과 관련한 분야, 백열등, 형광등, LED등처럼 전기에너지를 가시광으로 바꾸는 조명 분야 등 에너지를 변환하는 과정에서 열역학의 활약을 만날 수 있습니다.

열역학의 선구자들이 기초를 확립한 후 전통적인 열역학의 범위를 넘어서 어떻게 발전해왔는지 다루기도 합니다. 통계학, 통계역학과의 접목뿐만 아니라 열역학과 양자역학의 관계도 소개합니다. 특정한 과학이 우리에게 알려줄 수 있는 것과 그 한계도 짚어줍니다. 이를 통해 과학이 무엇이고 어떤 일을 하는지 숲을 보여주기도 합니다.

문과생이라면 조금은 낯선 용어 사이에서 여느 교양 인문 세계를 탐독하듯 흥미진진한 시간이 될 겁니다. 두껍지 않은 분량이어서 만만하게 도전할 용기를 낼 수 있는 책이기도 합니다. 교과서 과학으로만 열역학을 배운 이후 과학적 지식은 거의 없지만, 살다 보니 자꾸 열역학 이야기가 나오는 탓에 조금 더 명확히 알고 싶은 이들을 위한 훌륭한 개론서입니다.

(출판사로부터 도서를 제공받았습니다)