에너지 보존 법칙(3)

2022.08.25 - [유체역학] - 유체란 무엇인가?

지난 시간에 이은 마지막 에너지 보존 법칙에 관한 설명이다.


에너지 보존의 법칙은 20세기에 들어와서 질량-에너지 보존의 법칙으로 거듭나게 되는데, 이는 중성자의 발견과 함께 시작된다. 이탈리아의 페르미는 중성자의 발견과 동시에, 중성자를 원자핵에 충돌시켜 하나의 원소를 다른 원소로 변환하는 연구를 시작하였다. 1938년 독일의 오토 한과 슈트라스만이 페르미의 실험을 해석하였는데 이는 초우라늄원소가 아니라 우라늄이 정확히 두 개로 분열되고 그사이에 미세 질량들이 소멸하여 에너지가 발생하였다는 것을 밝혀냈다. 그들은 원자핵 분열 현상이라고 불렀다. 그 후 알버트 아인슈타인은 질량들은 질량에 광속에 제곱을 곱한 것과 같은 에너지를 가진다고 증명하여 질량과 에너지가 상호 전환되며 그 합이 일정함을 보였다.

 

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 열의 일당량
 

열의 일 당량은 열역학 제1 법칙, 나아가서 에너지 보존의 법칙의 요체로서 단위 열을 생성하는데 필요한 기계적 일의 양이다.
역사적으로 보면, 열의 일당량을 에너지 보존의 법칙은 뒷받침하였다. 에너지 보존 법칙이 발견될 당시에 그 시대를 지배하던 라부아지에의 칼로릭 이론과는 달리 열이 역학적인 일로 변할 수 있다는 것을 보여주는 예이기 때문이다. 일과 열의 관계를 발견하기 위한 시도는 럼퍼드라고 불리던 벤자민 톰슨에서부터 시작하였다. 그는 포신의 앞부분을 물속에 집어넣고 회전하는 굴대에 연결하여 포신의 앞쪽에 있는 드릴로 쇠를 깎아 내는 작업을 시작하자, 얼마 있지 않아 열이 발생하고 수 시간 뒤에는 물이 끓기 시작하는 것을 발견하였다. 그는 이 결과를 통해 열을 ‘칼로릭’이라는 물질의 흐름으로 생각한 라부아지에의 이론을 부정하고 열이 운동과 관련이 있다고 설명했다.
럼퍼드가 단순한 열이 운동과 관련이 있다는 새로운 시각을 제공하는 것에 그쳤지만, 독일의 내과 의사인 로베르트 율리우스 마이어는 에너지가 보존된다는 근본적인 개념에 혁명을 발생시켰다. 그는 자기가 알고 있는 동물의 체온에 대한 이론과 몸이 기계적인 일을 한다는 것을 결합해, 몸 내부의 연소반응이 일과 열을 발생시킨다고 결론지었다. 이 결론은, 운동도 마찰을 통하여 열을 만들게 된다는 것과 종합되어 운동과 열은 서로 전환이 가능하다는 생각으로 발전하였다. 그는 철학적 추론에 의존해 그가 혐오하는 유물론과 대비되는 자기 생각을 더욱 발전시켜 열의 일 해당량의 값을 추측하고 ‘변환할 수 있으면서 소멸하지 않는 무게가 없는 실제’라고 언급된 에너지에 대한 개념을 소개했다. 마이어의 이론은 경험적 근거가 부족했고 사변적 추론에 의존했다면, 영국의 제임스 프레스콧 줄은 열의 일 당량을 정밀하게 측정하였다. 그의 실험 장비를 설명하자면 끈의 한쪽 끝에는 추가 달려있고 반대쪽 끝은 물레방아의 축에 감겨있는 상태에서 중력에 의해 정해진 거리만큼 추가 내려오게 되면 물레방아가 물을 휘저으며 일한다. 이론적으로는 추의 무게와 추가 내려온 거리로부터 추가 한 일의 양을 측정할 수 있으며, 물의 양과 증가한 온도를 재서 발생한 열의 양을 측정할 수 있었다. 하지만 이 실험에서는 발생하는 열량이 상당히 적어서 사람의 체온 또는 미세한 주변 환경의 변동에도 측정값에 오류가 날 수 있다는 점이 줄이 실험을 조작했을 수 있다는 의문을 가지게 한다. 에너지 보존 법칙이 확고하게 자리를 잡고 난 오늘날에는 열의 일 해당량이 정밀하게 측정되었다. 에너지와 열과 일을 측정하는 과학적 단위는 ‘줄’로 통합되었고 J라고 표기하며, 1줄은 1g의 물을 0.24도 높이는데 필요한 에너지에 해당한다고 알려지게 되었다.

 

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