【 열역학 】- 열과 일, 에너지와 엔트로피의 과학

_스티븐 베리 / 김영사

“이 책의 목적은 아주 구체적이다. 열역학을 하나의 패러다임으로 사용하여 과학이 무엇이지, 과학은 무슨 일을 하며 우리가 그것을 어떻게 이용하는지, 과학이라는 것이 어떻게 생겨났는지, 인간이 자연에 관한 점점 더 도전적인 질문들에 이르고, 그것을 해결하려 애쓸 대 과학이 어떻게 진화하는지를 보여주려고 한다.”

이 책의 저자는 미국의 물리학자이다. 이론과 실험 분야 모두에서 중요한 발견을 한 르네상스형 과학자로 소개된다. 저자는 이 책을 통해 대중을 상대로 열역학의 개론을 이야기해준로 표현하면 “열역학은 가장 진실에 가까운 과학이다”가 될 것이다.다. 열역학은 열과 일, 에너지와 엔트로피를 다루는 과학이다. 아인슈타인은 열역학을 “결코 흔들리지 않을 유일하고 보편적인 이론”이라고 했다. 다른 말로 표현하면 “열역학은 가장 진실에 가까운 과학이다”가 될 것이다.

“이 책은 과학이 무엇이고 어떤 일을 하며 어떻게 존재하게 되었는지에 대해 관심은 있지만 과학적 지식은 거의 또는 전혀 없는 사람들을 위한 책이다.” 저자는 이 책을 통해 전통적인 열역학 즉, 현재 우리가 끊임없이 사용하고 있는 열역학이라는 과학에 대해 이야기를 들려주는 것을 시작한다. 에너지 보존, 시간에 따른 변화의 방향성과 필연성, 절대영도의 존재에 관한 열역학의 세 가지 법칙을 중심으로 구성했다.

이어서 열역학의 역사를 들여다본다. 우리가 열역학 법칙이라고 부르는 개념, 변수 및 도구가 어떻게 진화했는지 볼 수 있다. 열역학을 적용하는 방법, 특히 열역학에서 얻을 수 있는 정보를 사용하여 일상생활에서 수행하는 많은 일의 성능을 향상시키는 방법에 대한 이야기도 유용한 자료이다. 책의 후반부에선 현재 우리가 알고 있는 열역학을 기반으로, 자연이 작동하는 방식에 대한 보다 어렵고, 보통은 더 복잡한 문제들을 해결할 때 직면하는 열린 과제들을 살펴본다. 마지막 챕터에선 열역학을 모든 종류의 과학의 패러다임으로 삼아 과학 지식이 무엇인지, 과학지식은 인간경험의 다른 영역에 관한 지식과는 어떻게 다른지, 과학지식이 인간 존재를 인도하는데 어떻게 사용할 수 있는지를 살펴본다.

통합 과학으로서의 열역학은 처음엔 열기관을 보다 효율적으로 만들고 열에서 최대한 많은 일을 얻기 위한 실질적인 노력에서 자극을 받아 발전했다. 과학은 최소한 두 종류의 지식인 관찰과 실험을 통해 배운 것과 실험의 해석을 통해 배운 것, 즉 우리가 이론이라고 부르는 지적구조로 구성된다.

열역학의 역사를 살펴보면 대포-천공과 관련된 온도 측정에서부터 작은 입자의 브라운 운동 관찰과 암흑물질의 존재를 밝혀낸 천문학적 관찰에 이르기까지 관측 도구가 어떻게 진화하고 개선되었으며 더 강력하고 정교했는지를 알 수 있다. 또한 관측도구가 변화함에 따라 이러한 관측을 해석하는 데 사용하는 이론 역시 수정하고 재구성해야 했다.

“열역학의 진화를 통해 살펴본 것처럼, 자연에 대한 개념과 과학에 포함된 실질적인 지식은 결코 확고하게 고정되어 있지 않다. 심지어 에너지 보존 개념이 도전받는 상황도 있었다. 지금까지는 이러한 도전을 극복했지만 그 개념의 유효성에 한계가 없다고 완전히 확신할 수는 없다. 우리가 우주와 그 속의 무엇인가를 탐구하는 새로운 방향을 찾을 수 있는 한 과학은 계속 진화할 것이다.”

"출판사에서 도서를 지원 받아 작성한 리뷰"

#열역학

#스티븐베리

#김영사

내가 물리가 약해서 그런가. 아니 그래도 제가 봤을땐 이 책 학교 교양 물리보다 어렵네요.

열역학. 재미는 있으나 왠지 전공도서가 하나 더 추가된 느낌이다.

근데 오랜만에 짱돌 굴리니 나름의 쾌감이 있다.

아인슈타인 “열역학은 가장 진실에 가까운 과학이다.”

본 책은 과학이 무엇이고 어떤 일을 하며 어떻게 존재하게 되었는지에 대해 관심은 있지만

과학적 지식은 거의 또는 전혀 없는 사람들을 위한 책이라고 한다.

근데 이 문장을 보면 굉장히 쉬울 것 같았는데 꽤 강단 있는 놈이다. 얇다고 만만하게 보면 완독 못한다.

화학과 생물 좋아했고 과학에 흥미있지만 흥미있어하는 비전공자에게도 꽤 어려웠다.

내가 열역학을 한 번 알아보고 싶고 어려운 문장들을 물고 늘어지고 해석할 용기가 있는자는 도전하시라.

그걸 성공하면 쾌감은 장난 아니다.

아주 간단한 내용이긴 하지만 열역학 제 1 법칙을 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있으며,

기계학과 엔진, 등에 어떻게 활용되는지 그 긴 서사를 읽는 눈을 만들 수 있다. 물론 그 과정은 좀 험난한 것 같습니다.

ΔE = E(2) ? E(1)

?E =?Q - ?W

그리고 인내심을 요구하는 책이다. 문장을 한 세 번정도 읽는다. 문장은 literally 이해했으나 뭔뜻인지 모른다.

어.. 그냥 그런가보다 수용한다. 국어 비문학이 생각난다.

그럼 한 두장 넘어가서 퍼즐이 맞춰진다. 지적 쾌감 장난아님..

내가 이해못해서 형광펜 칠해둔 예시 문장들. 그냥 뭐 수용했습니다.

평형개념의 핵심은 시스템의 거시적 상태를 설명하기 위해 사용하는 특성의 변화를 확인할 수 없다는 사실에 있다. (14p)

n개의 원자로 만들어진 분자는 총 3n의 자유도를 갖지만, 3개의 자유도만이 질량 중심의 운동을 설명하는 병진 자유도이다. n개의 원자가 비교적 안정적인 물체로 결합되어있기 때문. 3개의 회전 자유도. 나머지 3n-6개는 진동 자유도이다.

초기 상태에서 최종 상태로의 변화는 에너지 차이에만 의존하고, 이동 경로에는 의존하지 않는다. 에너지가 취할 수 있는 모든 형태를 설명하는 법칙이다. 열, 일, 전자파, 중력, 질량 등 에너지가 취할 수 있는 모든 형태를 생각해보면, 이 법칙이 얼마나 놀랍고도 멋진 선언인지를 깨닫게 된다.

죄송해요 작가님 멋진 선언인지 이해가 안 돼요

(원래 목차는 아니고 내가 내용을 알기쉽게 고쳐씀)

1,2장 ? 열역학의 현재

3장 ? 열역학의 기초수립 역사 (진화과정)

4장 ? 열역학의 일상생활 활용방법

5장 ? 열역학의 발전과정 (3장의 현대버전)

6장 ? 열역학 기반으로 자연이 작동하는 방식 분석

7장 ? 열역학 기반으로 ‘우리가 과학을 하는 이유’

과학 전공자가 아닌 사람들에게 이 책은 꽤나 험난한 여정이 될 것이다.

하지만 과학 교양과 논리는 이 저자 생각과 같이 많은 이들에게 필요한, 교양임에 나도 동의한다.

내가 알고 편안한 분야만 공부하기 보단, 이렇게 분야를 확장시켜 공부할 줄 알면

내가 세상을 바라보고 읽는 그 범위와 깊이에 많은 차이가 생길 것이라고 생각함.

100페이지 내외의 분량으로 엔트로피를 아는 척 할 수 있고, 열역학의 역사와 발전과정까지 짚을수있는

최고의 열역학 개론서이다.

* 이 서평은 김영사 대학생 서포터즈 활동의 일환으로 김영사로부터 도서를 지원받아 작성하였습니다

과학을 입문하면 제일 먼저 배우게 되는 열역학 법칙들. 자연현상 물리법칙을 설명하는데 있어서 기본이 되는 내용이여서 아마도 숙지해야하는 내용일 것이다. 하지만 전공자들이 아니면 학생 때 배웠던 내용들은 벌써 까먹었을 것이고 어렵게만 느껴지는 게 또 물리학이다.

이 책은 이런 이들을 위한 열역학 안내서다. 열역학의 기본개념에서 활용, 발전사까지 얇은 도서에 깔끔하게 잘 들어가 있다. 옮긴이는 신석민 서울대 자연과학대 화학부 교수님인데 저자에 대한 각별한 존경심을 느낄 수 있다. 저자는 작년 7월에 세상을 뜬, 스티븐 베리 미국 물리화학자로, 이론과 실험 분야 모두에서 중요한 발견을 한 ‘르네상스형 과학자’라고 한다. 화려한 이력만으로도 물리화학계에 중요한 역할을 했었던 인물이라는 것을 알 수 있었다.

이 책을 읽다보면, 열역학 법칙들이 바로 내 옆에 있는 자연법칙이라는 것을 잘 알 수 있다.

_열역학을 접할 때 처음 대하는 자연의 법칙은 열역학 제1법칙으로, 에너지는 생성되거나 없어지지 않으며 한 형태에서 다른 형태로 변환될 뿐이라는 사실이다._p15

개인적으로 재밌게 읽었던 부분은 ‘왜 시간을 거슬러 돌아갈 수 없는가?’ 제2법칙과 제3법칙 챕터와 양자역학과 열역학과의 차이점에 관한 부분 이였다. 어설프게 내가 해석해서 내용을 적는 것 보다는 본문의 일부를 옮기는 것이 더 나을 것 같다.

_열역학 제2법칙은 제1법칙과는 매우 다르다. 제1법칙은 변하지 않는 것, 특히 전체 에너지 또는 다른 세상과는 닫혀 있는 우주의 특정 부분의 에너지 양에 관한 것이다. 제2법칙은 일어날 수 없는 일에 관한 것으로, 일어날 수 있는 일과 없는 일을 구별함으로써 시간의 방향을 보여준다. .....

자발적이거나 제한적인 가역적 과정에 의해 상태 A에서 상태 B로 갈 수는 있지만, 같은 과정으로 B에서 A로 돌아갈 수는 없다는 것을 암시한다. 이것은 매우 근본적인 문제로, 시간의 흐름 속에서 우주는 한 방향으로만 진화한다는 사실을 표현하고 있다._p41, 42

한 마디로 타임머신은 힘들다는..... ㅎㅎ;;;

_.. 모든 일상 경험과 같은 거시적 수준에서는 뉴턴의 역학이 여전히 유효하고 유용하지만, 양자역학의 설명이 유효한 원자 수준에서는 적용되지 않는다.

양자역학은 열역학과 어떤 관련이 있을까? 궁극적으로 양자역학은 원자 수준과 관련이 있고, 열역학은 거시적 시스템에 적합하다. 양자역학은 특히 저온의 시스템과 관계가 깊다. 가장 중요한 부분은 양자역학이 단순한 입자의 기본 특성에 관해 밝혀낸 놀라운 특성에서 비롯된다. .....

개별적이고 양자화된 준위 때문에 원자, 분자, 전자는 극저온에서 실온의 물질과는 매우 다른 특성을 나타낼 수 있다.

...

페르미온(전자)은 쌓여 있는 에너지 준위에서 허용된 가장 낮은 상태들에 대부분의 입자가 존재하는 방식으로 냉각될 수 있다.

열역학 제3법칙과 관련한 이러한 거동에는 흥미로운 의미가 있다. ...

충분히 작은 시스템 에서는 열역학 법칙 중 하나를 위반하는 것을 볼 수 있다. 엔트로피는 항상 증가해야 하지만, 시스템이 너무 작아서 요동이 자주 일어나고, 감지될 수 있을 정도로 큰 경우에는 일시적인 요동이 제2법칙을 위반하근 것을 볼 수 있다. 이를 통해 우리는 열역학이 진정으로 거시적 시스템의 과학이며, 여러 측면에서 구성 입자의 수가 많다는 특성에 의존한다는 것을 알 수 있다,_p140

연구와 발견이 계속되면서, 오랜 시간 동안 절대 진리로 인식되어 왔던 열역학 법칙들이 적용되지 않는 부분들이 있다는 것들이 발견되고 있지만, 익히 “열역학은 가장 진실에 가까운 과학이다.” 라고 아인슈타인이 말했듯이, 자연의 모습을 이해하는데 도움이 되고, 냉장고, 에어컨 등으로 적용되어 우리 생활 속에 함께하고 있다는 것을 인식하는 것은 중요한 일인 것 같다.

또한 과학이 절대적인 것은 아니다고 발견의 본질에 대하여 당부함으로서 마무리를 하고 있다. 진정한 과학자의 태도가 아닌가 싶다.

_과학의 ‘법칙’과 과학이 자연에 대한 영구적이고 위반할 수 없는 진술로 여겨져서는 안 된다._p167

_우리가 우주와 그 속의 무엇인가를 탐구하는 새로운 방법을 찾을 수 있는 한 과학은 계속 진화할 것이다._p173

지금을 살아가는 우리가 기본적으로 갖춰야하는 소양 중 하나 이기도 하지 않을까 

-＞ 다른 전문교재들 보다 비교적 쉽게 설명되어 있고 저자의 철학도 엿볼 수 있어서 편하다. 접근성 좋은 열역학 기초 과학책으로 추천하고 싶다.