19 물을 끓이면 일을 한다?
열에 의한 동력, 증기기관
지난 이야기까지 물체의 변화로써의 운동과
F =ma 에 의한 인과론을 다루었고, 현재의 편리한 새상을 열어준 아름답게 정리된 전자기에 대해 알아보았습니다. 이번 부터 조금 짧게 이야기 나눌 것은, 현재의 기술을 열어준 또 하나의 방향인
'열' 입니다.
사실 고백을 하면, 학부(대학교)에서 공부할 때 열&통계 물리는 너무 힘들었습니다. 생소한 개념이기도 했고, 딱 와닿게 눈에 보이는 것에 대한 것도 아니었거든요. 게다가 뭔가 전자기에 비해 아름답거나 양자물리처럼 신비롭지도 않아서... 하지만 나중에야 알게 되었습니다, 이토록 복잡한 세상에서 어떻게 세상이 얽혀가게 되는가에 대한 이야기인지를. 통계물리는 정말로 '이야기'인 것이었습니다. 아, 하지만 이번에는 그 도입에 있는 '열'에 대해서만 일단 이야기하려 합니다. 통계 물리는 현대 물리에서 따로 이야기하려구요.
오늘의 주제는 '열 물리'입니다. 혹은 '열 역학'. 서양과 동양의 경제력의 결정적 차이는 어디서 왔을까요? 결국 기술 혁명에 의한 생산력의 차이가 큰 역할을 하지 않았을까요? 19세기까지 여기에 역할을 한 것은 누가 뭐라해도 증기기관이 아니었을까요.
18세기에 개량 및 발명되어 널리 활용되기 시작한 증기기관은 사람이나 동물의 동력과는 질적으로 다른 것이었습니다. 마차가 아무리 빠르고 힘이 세도, 기차만큼일 수는 없으니까요. 공장에서의 기계 역시 마찬가지 일 터입니다. 방적기에서의 면사 생산의 활용으로부터 공장의 동력과 자동화는 노동자들이 러다이트 운동으로 기계를 부술 정도로 공포로 다가왔으니까요.
증기기관은 다 아시는 것 처럼, 석탄을 떼서 물을 끓이면 그 증기에서 나오는 힘으로 기계를 움직이는 것이죠. 증기가 생기면 압력이 커져서 밀어내는 힘이 생긴다는 것은 경험으로 아주 오래전부터 알고 있었다고 합니다. 이것을 기계적으로 완성시킨 시기가 18세기인 것이죠. 그래서 엄청 유용하게 활용되기 시작했는데, 어떻게 이런 일이 벌어지는지는 알지 못하고 있었습니다. 정말 실험적으로만 보일의 법칙이니 샤를의 법칙이니 하는 것들이 정리되고 있었습니다. 이것을 다 모으면 화학시간에도 배우셨을 이상기체 방정식이 되는 것이죠.
PV = nRT
이 식만으로도 어느 정도 예측은 할 수 있었겠죠? 온도가 올라가면 압력이나 부피가 증가한다는 것이니, 피스톤을 밀어서 일을 할 수 있을 것이잖아요. 하지만 여전히 실험적으로 정리만 되었을 뿐, 도대체 열이 무엇이어서 이러한 일을 할 수 있는지는 알 지는 못했습니다.
이토록 유용하게 새로운 시대를 열어줄 정도의 기술인 열에 의한 증기기관인데, 도대체 열이 무엇일까요? 왜 열은 힘을 주어서 일을 할 수 있는 것일까요?
이런 질문들이 나타났겠죠? 19세기에는 이러한 질문에 대한 답들도 나타납니다. 다음 시간에 이에 대해 이야기 나누어요~
