“열역학은그틀안에서우주의모든것을다룰수있는유일한물리이론이다.결코흔들리지않을것이다.”_알베르트아인슈타인
초미세입자에서은하계전체에이르기까지
우주에서관찰되는모든것에적용되는이론
열역학의핵심을알려주는한권의책
과학에큰관심이없더라도‘열역학’이나‘엔트로피’라는말을들어보지못한사람은별로없을것이다.열역학은말그대로‘열’과‘일’의관계에관한학문으로,초미세입자에서은하계전체에이르기까지우주에서관찰되는모든것에적용되는과학이다.“결코흔들리지않을유일하고보편적인이론”이라는아인슈타인의말처럼열역학은매우근본적이며,냉장고와에어컨에서보듯우리의일상에깊이스며들어있고,인류역사의큰변곡점이된산업혁명이증기기관과함께시작되었다는사실로알수있듯역사또한긴분야이다.이처럼역사도길고,일상에깊이스며들어있으며,근본적인분야인데도불구하고,열역학관련도서는전공서이거나청소년도서뿐이라열역학에관심있는일반독자를위한입문서는찾기어려웠다.심지어는과학책으로보기어려운도서가‘엔트로피’라는제목때문에서점의과학매대를오랫동안지키고있기도했다.
세계적인물리화학자스티븐베리가지은이작은책에는학부생과일반성인을상대로오랫동안열역학강의를해온노학자의강의노하우가담겨있다.저자는열역학개념을과학적으로명확하게잡고논의를이어가기위해열역학의역사가아니라곧바로열역학의세가지법칙에관해설명한다.저자는이책을통해열역학이무엇인지,우리는그것을어떻게사용하는지,열역학은어떻게존재하게되었는지,어떻게발전해왔는지를명쾌하고간결하게보여준다.그런데여기서‘열역학’은‘과학’의다른이름이기도해서,독자는열역학에대한필수지식에더해과학자체에관한질문들,과학이무엇인지,과학은무슨일을하며우리가그것을어떻게이용하는지,과학이라는것이어떻게발전해가는지까지알수있을것이다.
“열역학제2법칙을설명할수있습니까?”
철스퍼시스노가촉발한‘두문화’논쟁에서비롯된
세계적인과학자의명쾌하고친절한열역학가이드
저자스티븐베리가이책을쓰게된결정적계기는영국의물리화학자이자소설가찰스퍼시스노의유명한‘두문화’논쟁과관련이있다.1959년케임브리지대학교에서강연한내용을토대로같은해에출간된《두문화와과학혁명》이라는책에서스노는과학자문화와인문학자문화사이의괴리와몰이해,소통부재를언급하며‘열역학제2법칙’을예로들었다.스노에따르면“열역학제2법칙을설명할수있습니까?”라는질문은문학계에서“셰익스피어의작품을읽은적이있습니까?”라는질문에해당한다.스노의‘두문화’강연과책은전세계적으로큰반향을일으켰다.‘두문화’라는말은관용어가되었고,지속적이고강도높은논쟁이이어졌다.그런데‘두문화’자체에대한논쟁과는별개로,저자는1964년에출간된개정증보판《두문화:그후의고찰》에서‘열역학제2법칙’이‘현대생물학’으로바뀌었다는점에주목한다.“그당시에도나는이런수정에동의하지않았지만,생물학이발전함에따라지금은그의처음생각이옳았다는것이명백해졌다.왜냐하면오늘날생물학을이해하려면많은,정말많은사실을배워야하지만열역학을이해하기위해서는그저몇가지사실만알면되기때문이다.열역학은현대생물학처럼방대한양의정보에기반한체계적인추론보다는몇가지개념에뿌리를둔학문이다.”(6쪽)저자는누구나가지고있는열과온도에대한직관적인느낌을바탕으로,명쾌하고친절하게열역학의기본개념들을차근차근설명해나간다.나아가열역학에남아있는질문들도간단히살펴본다.이책을마지막으로2020년여름세상을떠난저자의출간인터뷰에서,우리는과학에대한그의애정을엿볼수있다."내가대학원에다닐때는아무도열역학을공부하고싶어하지않았다.열역학에관한모든질문이던져져이미탐구되었고,남아있는질문은없다고생각했기때문이다.하지만내가연구한’유한시간열역학‘은그생각이얼마나잘못되었고어리석었는지를보여준다.과학은닫히지않는다.그것이과학이재밌는이유이다.“(〈유시카고뉴스〉,2019.4.26.)
열역학의기본개념에서활용및발전사까지
손에잡히는열역학개론서
이책은총7장으로구성되어있다.각장에서다루는내용을간략히살펴보면다음과같다.
1장‘열역학이란무엇인가?’에서는온도,압력,부피,열,일,에너지,평형,엔트로피등열역학의기본개념들과열역학제1법칙을소개한다.“에너지는결코생성되거나파괴될수없으며,형태와위치만변할수있다.초기상태에서최종상태로의시스템에너지변화는두상태의에너지차이에만의존하고,상태간에이동하는경로에는의존하지않는다.”당연하고사소해보이지만“열,일,전자파,중력,질량등에너지가취할수있는모든형태를생각해보면,이법칙이얼마나놀랍고도멋진선언인지”를깨달을수있다.
2장‘왜시간을거슬러돌아갈수없는가?’에서는제2법칙과제3법칙을알아본다.제2법칙은일어날수있는일과없는일을구분함으로써시간의방향을알려준다.제2법칙에서가장중요한변수가‘엔트로피’이다.처음도입된이후사회학,생물학,정치학등다양한분야로확대적용되어온‘엔트로피’는열역학을대표할만한핵심개념으로,간단히말하자면“우리에게는같아보이지만모든구성원자가얼마나많은방법으로존재할수있는가에관한척도”라고할수있다.제3법칙은온도에는‘절대영도’라는절대적인하한점이있으며,실제로유한한단계를거쳐서는절대영도에도달할수없다는법칙이다.
3장‘고전적인열역학은어떻게생겨났는가?‘에서는열역학의역사를돌아본다.열역학은광산에서물을퍼내는펌프를더효율적으로구동시키는문제에서촉발된과학이다.이와관련하여초기증기기관의원리와발전사,그리고그과정에서활약한조지프블랙,벤저민톰프슨,존돌턴,조제프게이뤼삭,사디카르노,앙드레마리앙페르,제임스프레스콧줄,윌리엄톰슨,빅토르르뇨,윌러드기브스같은과학자들을다룬다.또한열의정체에관한논쟁을통해에너지와에너지보존개념이발전한과정도제시된다.
4장’열역학을어떻게사용하는가,혹은사용할수있는가?‘에서는열역학이실제로어떤분야에서어떻게사용되는지알아본다.대표적으로냉장및냉방처럼냉각과정과관련된분야,다양한형태의에너지를전기라는특정한형태로변환하는전기생성,즉발전분야,백열등,형광등,LED등처럼전기에너지를가시광으로바꾸는조명분야다.열역학은이렇게일상에깊게스며들어있으며,에너지를변환하는과정에서최대의이득을얻는방법의기준이된다.
5장’열역학은어떻게진화해왔는가?’는열역학의선구자들이기초를확립한이후에열역학이어떻게발전해왔는지를다룬다.통계학,통계역학이등장하면서전통적인열역학의거시적접근과기본구성요소인원자를기반으로한미시적인설명사이의연결이가능해졌다.실제가솔린엔진에서기본이되는‘오토순환과정’을단계별로이해하고,열역학과양자역학의관계도알아본다.
6장‘열역학의전통적인범위를어떻게넘어설수있는가?’에서는탐구할만한모든질문이이미나왔다고여겨졌던열역학분야에남아있는질문들을다룬다.열역학은기본적으로평형상태를다루지만,엄밀한의미에서는그어떤것도평형상태에있지않다.20세기가진행되면서열역학의주제는평형상태에있지않은시스템으로확장되었는데,이장에서그확장의내용과쓰임에대해개략적으로알아본다.이는저자의주요업적이기도하다.
7장‘열역학은과학에관해무엇을가르쳐줄수있는가?‘는일종의개관으로,특정한과학인열역학을통해과학이무엇이고어떤일을하는지,과학적지식은어떤식으로검증또는반증되는지,새로운개념을탐구하는위한도구나방법은어떻게발전하는지알아본다.’과학‘에대한우리의선입견과는다르게역사적으로과학은종종,옳다고입증할수는없지만유용하고,관찰되는모든사실과일관성이있는개념을발전시켜나가며진화해왔다.이장에서저자는과학지식은결코확고하게고정된절대진리가아니라는점을강조한다.
