​​마. 열역학(熱力學) 에너지 불멸(不滅)

 

그러나 공이나 탄환 등의 비행에 있서서 공기의 저항으로 인하여 운동에너지가 자연히 손실되여 역학적 에너지만을 생각하면 에너지 보존법칙은 불성립이다. 에너지가 제일 많이 손실되는 경우는 마찰에 의한 열의 발생이다. 이 문제를 해결한 사람은 영국의 쥴(주1)이다. 

 

 

 

1843년 그는 마찰에 의한 열의 발생에 관한 유명한 실험을 하였다. 즉 외부에서 준 일이 마찰에 의하여 전부 열로 변할 때 발생한 열량은 정확하게 일에 비례함을 확인하였으니 이것이 열의 당량(當量)(주2)[12b]이다. 이리하여 열도 에너지의 일부로 판명되여 역학적 에너지와 열을 합하면은 총 에너지는 절대로 부증불감하여 항상 일정하니 이것이 열역학 에너지의 보존법칙이다.

 

바. 전(全) 에너지 보존

 

1847년 독일의 헬므홀츠(주3)는 각 방면의 에너지를 전심(專心)연구한 결과 에너지 보존의 대법칙을 확립하였다. 즉 전 자연계를 통하여 여하한 변화에 있어서도 전 에너지의 총합은 항상 일정불변하다는 것이다. 이 이론을 최초에 제창한 사람은 역시 독일인 마이예르(주4)였엇는데 학계에 인정되지 않어 그냥 매몰되고 말엇섯다. 헬므홀츠도 이 대법칙을 확립하여 그 이론을 당시 학계 제일 권위인 포겐돌프 연지(年誌)(주5)[13a]에 게재하려 하였으나 거부당하고 자비로 출간(주6)하였던 것이다. 여사(如斯)히(주7) 자연계에서 에너지는 각종 상태로 나타나고 이동 변화하지만은 전우주의 에너지 총합은 일정 불변하다는 것이 명백케 되였다. 

 

 

 

에너지에는 역(力)·열(熱)·음(音)·광(光)·전기(電氣) 등의 수다(數多)한 이태(異態)가 있지만은 본래 피차(彼此)의 구별이 있는 것이 안이요 편의상 발현의 상태에 따라 여러 가지 이태(異態)로써 이것을 구별함에 불과한 것이다. 그럼으로 전 에너지는 각태(各態)로 상호변환하여 종종작용(種種作用)을 하나 원래 불생불멸의 소량(素量)(주8)임으로 우주의 총 에너지량은 불변하여 그 총량은 추호도 소멸되지도 않고 생성되지도 않어 영원히 일정 불변하다는 것이다. 

 

예거(例擧)하면은 [13b] 고처(高處)의 수량(水量)은 위치에너지를 소유하였으나 낙하로 위치에너지가 운동에너지로 변하고 발전(發電)하여 전기에너지로 변한다. 발전된 전기에너지는 전등 등의 복사(輻射)에너지로, 전차 모-터 등의 운동에너지로, 그리고 열(熱)·화학적(化學的) 에너지 등등으로 변하여 각종 이태(異態)로써 수다(數多) 작용을 하게 되나 변하여진 그 전(全) 에너지량의 대수적(代數的)(주9) 총화(總和)는 하시(何時)든지 영(零)과 갓흔 것이다. 이리하여 에너지 보존법칙은 질량불멸법칙과 병립하여 자연과학의 양대 근본원리로써 학계에 군림하였던 것이다.

 

주)

(주1) 제임스 줄(James Prescott Joule, 1818~1889)의 집안은 대대로 양조장을 경영하여 젊은 시절에 일하지 않고도 지낼 만큼 부유했다. 덕분에 실험을 기초로 한 연구를 하는 데 자유롭게 돈을 사용했다. 그의 연구는 전기 모터의 효율성을 개선시키려는 노력으로 시작하였는데, 전류로 인해서 발생하는 열의 양을 측정하기로 결심하였다. 1843년 열의 역학적인 상당량(열의 일 해당량)을 정밀하게 측정하여 발표했다. 이어서 다른 형태의 에너지 사이의 변환을 나타낸 열역학의 제1법칙, 즉 확장된 에너지 보존법칙을 증명하였다.

 

(주2) 열의 당량(熱의 當量, mechanical equivalent of heat)은 보통 열의 일당량, 또는 열의 일 해당량이라고 하는데, 열이 얼마만큼의 역학적 일에 해당하는가를 나타내는 양을 말한다. 줄은 전류로부터 역학적인 작업을 발생시키는 장치의 발명을 목표로 전류의 연구에 전념하였다. 그 결과 전류를 통한 도선에서 열이 발생하는 열량과 전류의 관계를 조사해서 전류의 발열작용에 관한 법칙(줄의 법칙)을 발견하게 되었다.(1840년) 1843년 열의 역학적인 상당량(열의 일 당량)을 정밀하게 측정하여 발표했고, 1849년까지 수차례에 걸쳐 측정의 정밀도를 높여갔다. 그는 네 가지의 다른 실험방법을 사용했는데, 그 중에 가장 잘 알려진 방법이 추에 매달린 줄에 의해 돌아가는 바람개비를 물속에 넣고 물의 저항에 의해 온도가 올라가는 것을 측정하는 방법이다. 열을 정량적으로 측정하기 위해서는 열량이라는 물리량이 사용되는데, 열량의 단위로는 일반적으로 칼로리(Calorie : 기호 cal)가 사용되고, 열을 에너지의 한 형태로서 취급할 때는 에너지의 공통단위인 에르그(erg) 또는 줄(Joule : 기호 J)로 표시한다. 줄은 추가 낙하할 때 회전 날개에 한 일 W(J)를 구하고 통 속의 물의 질량과 온도의 변화를 측정하여 발생한 열량 Q(kcal)를 계산하여 일과 발생한 열량 사이에 W=JQ의 관계가 성립한다는 것을 알아내었다. 이 식에서 비례상수 J를 열의 일 당량이라고 하고 그 값은 4.2×103J/㎉이다. 이것은 1㎉의 열량이 역학적 에너지로는 4.2×103J와 같다는 것을 의미한다.

 

(주3) 헤르만 루드비히 페르디난트 폰 헬름홀츠(Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz, 1821~1894)는 독일의 생리학자이자 물리학자이다.

1847년 베를린의 물리학회에서 ‘힘의 보존에 대하여’라는 주제로 강연하였다. 이것은 마이어와는 독립적으로 보다 정리된 형식의 에너지보존원리를 보편적 법칙으로서 확립한 것이다. 1871년 베를린대학 물리학 교수가 되어 전기역학·유체역학·광학·기상학·인식론 등에 공헌하였다. 열역학이론의 열화학 및 전기화학에 대한 적용의 업적이 있다. 또한 빛의 분산이론, 지각(知覺)에 관한 삼원색설(三原色說) 등도 유명하며, 철학자로서는 초기의 신칸트파에 속해 있다.

 

(주4) 본래 의사였던 로베르트 마이어(Robert Meyer, 1814~1878)는 음식물이 몸 안으로 들어가서 열로 변하고, 이것이 몸을 움직이게 하는 역학적 에너지로 변한다는 생각을 기초로 해서 모든 종류의 에너지들이 서로 변환 가능하며, 전체 에너지의 양은 보존된다는 주장을 내 놓았다. 즉 화학 에너지, 열 에너지, 역학적 에너지 등이 서로 같은 종류의 물리적 양이며, 자연에서 에너지는 사라지지 않고 보존된다는 것이다. 그는 자신의 이런 생각을 뒷받침하는 구체적인 예로서 열과 일의 변환 계수를 계산하고 자신의 생각을 정리해서 물리 분야의 전문학술지인 『물리학 및 화학 연보(Annalen der Physik und Chemie)』에 보냈다. 하지만 당시 ‘새로운 물리-화학 잡지’를 표방하며 학술 잡지를 새롭게 개편하려던 편집인 포겐도르프(Johann Christian Poggendorff, 1796~1877)는 마이어의 논문이 너무 사색적이고 전문적인 물리학 논문이 되기에는 미흡하다고 생각하고 수록을 거절했다. 마이어는 할 수 없이 자연철학주의에 대해 그나마 호의적이었던 구스타프 리비히(Justus von Liebig, 1803~1873)가 운영하는 화학저널인 『화학 및 약학 연보(Annalen der Chemie und Pharmacie)』에 자신의 논문을 기고했다.

 

(주5) 포겐도르프(Johann Christian Poggendorff, 1796~1877)가 편집인으로 있던 물리 분야 전문학술지 『물리학 및 화학 연보(Annalen der Physik und Chemie)』.

 

(주6) 헬름홀츠는 마이어가 이미 1842년에 한 작업을 모른 채로 1847년 생체의 열은 생명력에 의한 것이 아니라 음식물의 화학에너지에 의한 것이라는 주장을 내 놓았다. 그는 여러 형태의 에너지들이 서로 변환 가능하다고 생각하고, 역학적 에너지에만 적용되던 에너지 보존법칙을 다른 에너지까지 확장시켰다. 헬름홀츠는 이런 생각이 담긴 논문을 포겐도르프의 『물리학 및 화학 연보』에 투고했지만, 마이어와 마찬가지로 편집인으로부터 수록을 거부당했다. 헬름홀츠는 할 수 없이 이 내용을 물리학회 강연집인 『에너지 보존 법칙에 관해서(Über die Erhaltung der Kraft, 1847)』라는 소책자로 출판하게 되었다.

 

(주7) “이렇게”

(주8) 구체적인 어떤 종류의 양의 최소 단위.

(주9) 대수(代數)는 개개의 숫자 대신에 숫자를 대표하는 일반적인 문자를 사용하여 수의 관계, 성질, 계산 법칙 따위를 연구하는 학문을 가리킨다. 현재는 덧셈이나 곱셈 같은 요소 간의 결합이 정의된 집합, 즉 대수계를 연구하는 학문도 포괄한다.

 

 

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