[궁금한S] 재미있는 열역학의 세계…에너지 보존 법칙이란?

[앵커]
과학에 대한 모든 궁금증을 풀어주는 <궁금한 S> 시간입니다. 물리학의 수많은 법칙 가운데 비교적 친숙한 법칙이 열역학 제1 법칙이라 불리는 '에너지 보존 법칙'인데요.

'에너지 보존 법칙'의 발견으로 모든 에너지가 손실 없이 변환한다는 것을 알게 됐는데요, 물리학의 바탕이 되는 '에너지 보존 법칙'에 대해 지금 바로 화면으로 만나보시죠.

[이효종 / 과학 유튜버]
안녕하세요! 과학의 모든 궁금증을 해결하는 궁금한 S의 이효종입니다. 궁금한 S와 함께할 오늘의 이야기 만나볼게요.

열역학이라는 단어는 열을 뜻하는 Thermos와 동력을 나타내는 dynamis의 두 그리스어 단어가 조합되어 만들어졌습니다. 이후 열역학은 열과 에너지, 일 그리고 이들 간의 상관관계를 다루는 자연과학의 한 분야로 열을 일로 전환하는 효율을 극대화하는데 기여했는데요. 열역학의 발달은 산업혁명과 그로 인한 엄청난 사회적 변화의 지적 추진력이 되었습니다.

그런데 여러분, 이 열역학을 최초로 발견한 사람은 누구이고, 열역학 제1 법칙은 무엇일까요?

오늘은 그 궁금증에 대해 궁금한 S와 함께 알아보도록 하겠습니다.

에너지의 변환, 당시의 개념으로 이야기하자면 힘의 변환은 1830년대 후반부터 본격적으로 물리학자들의 연구대상이 되었습니다.

앞서 이야기 드렸던 열, 화학, 전기 등은 얼마든지 운동력으로 변할 수 있는 가능성을 지닌 존재들이었죠.

이러한 분위기 때문이었을까요? 당시 과학계에서는 더이상 칼로릭을 원소라고 생각하지 않았습니다. 칼로릭 즉, 열의 원소는 외부로부터 공급된 힘에 의해서 단순히 붙고 떨어질 수만 있을 뿐 그 양은 항상 보존된다고 주장했죠.

열의 흐름은 잘 설명할 수 있었지만, 운동력으로 나타나는 힘의 전환에 대해서는 충실하게 설명하지 못했습니다.

이러한 배경을 바탕으로 과학계는 칼로릭이라는 매개 없이, 이상적 기관인 '카르노 기관'을 설명할 수 있을까에 관한 관심을 가지게 됩니다.

영국의 물리학자, 제임스 프레스콧 줄은 이러한 의문에 뛰어든 과학자 중 한 사람이었습니다. 특별히 패러데이의 전자기 연구에 특별한 열정을 가지고 있던 줄은 그의 발명품인 전기 모터의 효율에 관해 연구하고 있었어요.

그러던 중 자연스러운 의문이 떠올랐죠. '왜 전기 모터는 작동시키면 작동시킬수록 뜨거워지게 될까?', '혹시 이 열을 이용해 다시 운동력을 만들 수 없을까?', '전기모터에 의해 만들어진 열의 양은 사실 공급된 전기의 양과 같은 양이 아닐까?' 이 생각을 검증하기 위해 줄은 어떤 하나의 시스템, 즉 계에 투입한 힘과 그 시스템 힘으로부터 방출된 힘의 양을 아주 정밀하게 측정하는 방법에 대해 고민하게 됩니다.

마침내 줄은 1840년대 초반, 무거운 추가 낙하하는 운동을 이용해 단열 된 통 안의 물을 휘젓고, 그 물의 온도가 얼마나 올라가는지에 대한 실험을 설계하게 됩니다.

장치의 구조를 좀 더 자세히 설명해볼게요. 왼쪽에 물을 채워 넣은 수조를 배치해두고 수조 속에서 자유롭게 회전할 수 있는 프로펠러를 넣어둔 뒤, 외부의 움직임에 의해 프로펠러가 돌아갈 수 있도록 만든 장치입니다.

여기에 도르래와 추를 연결하여 중력에 의해 추가 아래로 떨어지게 되면, 자연스레 프로펠러가 돌아가면서 물을 휘저을 수 있게 만든 것입니다. 추가 더 높은 곳에서 내려갈수록, 더 오래 내려갈수록 프로펠러의 회전이 점점 더 많아지며 점점 더 물을 휘저어놓게 되고 이는 자연스럽게 마찰열로 발생하여 물을 데우는, 즉 물의 온도를 상승시키는 실험장치인 것이죠. 이 실험에서 물의 온도 변화만 알 수 있다면 당시의 과학으로 충분히 계산할 수 있었습니다. 물이 얻은 열량과 추의 운동력 사이의 관계를 알아낼 수 있고 바로 이 아이디어를 통해 외부의 일과 열량과의 관계를 측정을 통해 정확하게 얻어낼 수 있었던 것입니다. 이 실험의 결과를 통해 줄은 정말 놀라운 사실을 발견하게 됩니다. '물체의 마찰로 발생한 열량은 추가 낙하하면서 한 일의 양에 정확하게 비례한다'

이것은 결국 특정한 높이에서 추를 떨어트리기 시작하면 언제나 같은 양의 열을 발생시킨다는 의미가 됩니다. 모든 운동의 전환은 처음 운동이 얼마만큼 일어났는지에 비례한다. 이 사실을 통해 줄은 '힘은 전환될 때 사라지거나 생기는 것이 아니라 100% 전부 전환만 이뤄지게 되는 것은 아닐까?'라는 가설을 제안하게 되었고요. 이 가설이 바로 열역학 제1 법칙, 즉 에너지 보존법칙을 만들어냈습니다.

이후 과학자들은 열과 기계적 운동에 대한 줄의 실험적 공헌을 높이 평가하여 훗날 물리학에서 에너지 (또는 일)의 단위를 '줄'이라 명명했습니다.

줄의 실험은 물리학뿐 아니라 인간이 세계를 이해하는 데 중요한 전환점이 되었습니다. 운동, 열, 전기와 자기, 화학반응 등은 수천 년 동안 별개의 범주로 이해되어 왔습니다. 하지만 에너지라는 큰 틀 안에서 모든 현상을 하나로 묶어서 생각할 수 있게 된 것이죠. 예를 들어 보일러는 석유나 석탄 속에 숨어 있던 화학에너지를 열에너지로 변환하고, 증기기관이나 가솔린 엔진은 열에너지를 운동에너지로 변환합니다. 이제 이 모든 반응을 줄이라는 하나의 물리량으로 설명할 수 있게 된 것이죠.

오늘은 열역학 제1 법칙에 대해 알아봤는데요. 줄은 자신의 이론을 증명하기 위해 신혼 여행지에 폭포가 있다는 것을 알고 황당한 실험까지 구상했다고 합니다.

폭포의 물이 떨어짐으로써 위치 에너지가 열에너지로 전환될 것이고, 그에 따라 폭포 아래의 물 온도는 더 높을 것이라고 생각했다는데요. 물론 이 실험은 성공하지 못했습니다. 폭포 주변에 이는 물보라가 너무 심했기 때문이죠.

신혼여행까지 가서 과학에 대한 열정을 놓지 않았던 줄, 정말 대단하지 않나요?

그럼 <궁금한 S>는 여기서 이만 인사드릴게요.

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