열과 엔트로피는 처음이지? / 곽영직

 

 

 

 

 

 

1장 인류 문명과 불

 

ㆍ사람속(호모속)에 속하는 가장 오래된 인류의 조상은 약 220만 년 전 동아프리카에 나타났던 호모하빌리스였다. 손재주가 좋았던 이들은 여러가지 도구를 만들어 사용하기 시작했지만 아프리카를 떠나지는 않았다. 아프리카 대륙을 탈출하여 유라시아 대륙 곳곳으로 진출한 인류의 조상은 약 170만 년 전에 나타난 사람속 에렉투스 종인 호모에렉투스였다. 호모에렉투스로부터 진화한 것으로 믿어지는 현생인류인 호모사피엔스는 약 30만 년 전에 지구상에 등장했다. 

 

2장 물질과 열

ㆍ물체를 이루고 있는 입자들이 일정한 방향으로 일정한 거리만큼 떨어져 배열되어 있는 것이 고체이다. 따라서 고체는 모양이나 부피가 잘 변하지 않는다. 분자나 원자 사이의 거리는 거의 일정하지만 배열 방향은 쉽게 변할 수 있는 것이 액체이다. 액체의 부피는 거의 일정하게 유지되지만 모양은 쉽게 변하는 것은 이 때문이다. 고체나 액체의 경우와는 달리 기체를 이루고 있는 원자나 분자들은 서로 결합되어 있지 않고 공간을 자유롭게 날아다닌다. 따라서 기체는 일정한 부피와 모양이 없다. 기체를 이루는 원자나 분자가 전하를 띠고 있는 것을 플라스마라고 한다. 고체, 액체, 기체 그리고 플라스마를 물질의 네 가지 상태라는 의미에서 물질의 4태라고 한다. 

ㆍ고체, 액체, 기체의 경우에는 상태가 변하더라도 물질의 화학적 조성에는 변화가 없고 배열 상태만 달라진다. 이렇게 물질에 화학적 변화가 생기지 않고 배열 상태만 달라지는 것을 물리적 변화라고 한다. 물질이 고체, 액체, 기체 중 어떤 상태에 있는지를 결정하는 것은 온도이다. 

 

ㆍ물질의 양이 일정할 경우 열운동에 의한 내부 에너지는 온도에 비례한다. 온도가 높다는 것은 물체를 이루는 분자들이 활발하게 운동하고 있어 내부 에너지가 높음을 의미하고, 온다가 낮다는 것은 분자들이 천천히 운동하고 있어 내부 에너지가 낮음을 의미한다. 우리가 온도를 측정하는 것은 내부 에너지 크기를 측정하는 것이다. 

 

ㆍ우리는 눈에 보이는 가시고아선을 내는 물체를 불이라고 부른다. 

 

ㆍ대부분의 물질은 액체 상태보다 고체 상태의 부피가 작지만 물의 경우에는 액체 상태인 물보다 고체 상태인 얼음의 부피가 크다. 

 

3장 열역학의 태동

 ㆍ원자나 분자를 전혀 포함하고 있지 않은 완전한 진공 상태의 공간에도 전자기파가 존재한다면 그 공간의 온도를 결정할 수 있다. 공간에는 한 가지 파장의 전자기파만 있는 것이 아니라 여러 가지 파장의 전자기파가 섞여 있다. 공간에 포함되어 있는 전자기파의 파장과 세기 분포가 나타내는 온도가 그 공간의 온도가 된다. 

 

ㆍ공기의 부피가 압력에 반비례한다. - 보일의 법칙

압력(P) x 부피(V) = 일정

 

ㆍ에너지의 전달 = 1) 대류, 2) 전도, 3) 복사

 

4장 열기관의 발달

 

 

5장 열소설과 운동설

ㆍ열이 이동하는 두 가지 경우

1) 온도 차가 있을 때

2) 부피의 변화가 있을 떄

 

6장 에너지 보존법칙

ㆍ에너지는 형태가 바뀔 뿐 총량은 변하지 않는다. 

 

7장 열역학 제2법칙과 엔트로피

ㆍ열역학 제2법칙 - 엔트로피 증가의 법칙: 고립된 계에서는 엔트로피가 감소할 수 없다. 

 

8장 엔트로피의 통계적 해석

 

 

9장 열역학 밖으로 나간 엔트로피

ㆍ생명체는 외부로부터 마이너스 엔트로피를 흡수함으로써 열역학적 평형상태에 도달하는 것을 피해간다. - 슈뢰딩거

열적 평형상태는 더 이상 아무 현상도 일어나지 않는 열적 죽음의 상태이므로 생명체가 살아 있기 위해서는 열적 죽음의 상태이므로 생명체가 살아 있기 위해서는 열적 비평형 상태에 있어야 한다. 생명체가 열적 비평형 상태, 즉 주위 환경보다 엔트로피가 낮은 상태를 유지하기 위해서는 주위 환경으로부터 계속적으로 마이너스 엔트로피를 흡수해야 한다. 생명체가 마이너스 엔트로피를 흡수한다는 것은 생명체가 성장하면서 외부의 엔트로피를 증가시키는 대신 자신의 엔트로피는 감소시크는 것을 가리킨다. 

 

ㆍ슈뢰딩거는 1) 생명체의 몸은 자연 법칙에 따르는 순수한 기계 장치이다. 2) 그럼에도 불구하고 생명체는 의지에 의해 결과를 예측할 수 있는 운동을 하고, 그런 운동의 결과에 책임을 진다는 두 가지 사실로부터 생명체는 자연 법칙을 이용하여 원자들의 운동을 통제 할 수 있는 존재라고 결론지었다. 

 

 

 

통계적 엔트로피를 왜 S=kBlogG로 정의했을까?