[박종진의 과학 이야기] 열역학

박종진

열역학이라는 수상한 단어를 분해해 보면, 열(熱)과 힘(力)의 관계를 다루는 학문(學問)이라는 사실을 알 수 있다. 따지고 보면 우리 주변의 모든 것은 태양에서 나오는 열로부터 시작했다. 인간을 포함한 모든 생명체의 발현과 존속도 열 때문에 가능하다. 인류는 불을 발견하여 사용하기 시작했고 지금 모든 동력원이 열을 기반으로 하는 것도 같은 맥락이다.  
 
열역학에는 총 4가지 법칙이 있다고 하는데 전공이 아닌 사람은 이해하기도 쉽지 않다. 게다가 제1 법칙부터 시작하는 것이 아니라 열역학 법칙에는 생뚱맞게도 제0 법칙이란 것이 있다. 원래 열역학 제1 법칙과 제2 법칙이 세상에 소개된 후에 뒤늦게 나온 새 법칙이 논리상으로 이전 것보다 우선해야 한다고 생각해서 제0 법칙이라고 이름 짓고 맨 앞에 두었다고 한다.  
 
우리가 몸을 움직이면 열이 나는 것은 운동에너지가 열에너지로 바뀌어서 그렇다. 전열기에 이은 연장선이 뜨거워지는 것은 전기에너지가 열에너지로 바뀐 것이다. 이렇듯 모든 에너지는 쉽게 열에너지로 변하는 방향성이 있지만, 잘 알다시피 우주의 에너지는 없어지지 않고 보존된다는 대원칙이 있는데 바로 열역학 제1 법칙인 에너지 보존법칙이다.  
 
열역학을 이야기할 때 엔트로피라는 생소한 단어가 등장한다. 엔트로피를 억지로 번역하자면 '무질서도' 정도 되는데 '에너지'와 '전환'을 합성한 단어라고 한다. 물과 설탕을 섞어 설탕물이 되는 과정을 예를 들자면, 컵에 든 물속에 막 설탕을 넣었을 때를 엔트로피가 낮은 상태라고 하고 시간이 흐르고 물 전체가 고르게 설탕물이 되었을 때를 엔트로피가 높은 상태라고 부르며 이 경우처럼 세상 모든 것은 엔트로피가 낮은 상태에서 높은 상태로 향하게 된다. 이렇게 엔트로피는 증가한다는 것을 열역학 제2 법칙이라고 한다.  
 

모든 에너지 중에서 열에너지의 엔트로피가 가장 높으므로 전기나 운동에너지 등 모든 에너지는 결국 열에너지로 바뀌며 그 반대 과정은 엄청나게 힘들다. 에너지를 아껴 써야 하는 이유다.
 
더운물과 찬물을 섞으면 더운물 온도는 내려가고 찬물 온도는 올라가서 결국 전체 온도가 같아지게 되는데 전문적인 표현으로 열적 평형 상태가 되는 것이다. 이렇게 쉽고도 당연한 세상 이치를 공연히 어렵고 복잡하게 수식까지 동원해서 설명하는 것이 바로 열역학 제0 법칙으로 불리는 열평형의 법칙이다.
 
마지막으로 열역학 제3 법칙은 일반 사람이 이해하기 몹시 어렵다. 세상에서 가장 낮은 온도라는 절대 온도 0도라는 것이 있는데 온도가 거기에 가까워지면 엔트로피가 변하지 않는다는 것이다. 도대체 무슨 말인지 이해가 안 되는 것이 오히려 정상이다.
 
덩치가 큰 물체의 움직임을 고전역학에 의해서 추측해 보는 것은 비교적 쉬운 일이다. 하지만 물에 떨어진 먹물이 퍼지는 것처럼 더운 공기가 찬 공기 속에 섞여 나중에는 미지근한 공기가 되는 것 같은 아주 작은 원자나 분자의 움직임을 일일이 추적하는 것은 이론적이든 실제로든 불가능하다. 단지 표본을 추출해서 전체에 적용하는, 즉 통계적인 방법을 쓸 수밖에 없으므로 열역학은 통계학과 불가분의 관계가 있다.  
 

박종진