열의 개념에서부터 엔트로피의 원자까지, 볼츠만을 통해 열에 대한 과학을 알아본다!

열에 대한 과학을 볼츠만과 함께 배워 본다.
온도와 열은 어떤 관계가 있을까? 뜨거운 물체와 차가운 물체가 만나면 어떻게 될까? 온도가 높은 물질에서 온도가 낮은 물질로 이동하는 에너지를 열이라고 부른다. 뜨거운 물과 차가운 물을 섞으면 미지근한 물이 된다.

또한 물체에 열을 가하면 커지거나 길이가 길어진다. 이를 열팽창이라고 한다. 그럼 열팽창은 왜 일어날까? 뜨거워지면 분자들의 운동이 활발해지고, 뜨거울수록 분자들 사이의 거리가 멀어지기 때문이다. 고체보다는 액체가 더 잘 팽창하며, 기체 또한 뜨거워지면 부피가 커지고 차가워지면 부피가 작아진다.

열은 어떻게 전달될까? 열은 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동한다. 뜨거운 물체와 차가운 물체를 접촉시키면 뜨거운 물체에서 차가운 물체로 열이 이동하여 결국은 두 물체의 온도가 같아진다. 물체의 열이 직접 전달되는 것을 전도라고 하고, 이는 주로 고체 상태에서 일어난다. 액체나 기체 상태의 열전달 방식을 대류라고 한다. 태양으로부터 직접 받는 열을 복사라고 한다.

열과 역학적 에너지 사이의 관계를 다루는 물리를 열역학이라 한다. 열을 이용하여 움직이는 기관을 열기관이라 부르며, 열기관에 열을 공급하면 같은 양의 다른 형태의 에너지로 바뀌는 것을 열역학 제1법칙이라 한다. 열역학 제1법칙은 에너지보존법칙이다. 물질이 받은 에너지는 다른 종류의 에너지로 바뀌지만 모든 에너지의 합은 변하지 않는다는 것이다.

분자들이 무질서할수록 엔트로피가 크다고 말한다. 두 물질이 섞이는 반응은 엔트로피가 커지는 방향으로 진행된다. 자연에서의 어떤 과정은 한 방향으로만 진행되고 그 반대 방향으로의 과정은 저절로 일어나지 않는다. 이것이 열역학 제2법칙 즉, 엔트로피 증가의 법칙이다. 모든 반응은 엔트로피가 증가하는 방향으로 진행된다. 이 책을 통해 열이론을 확립한 볼쯔만과 함께 열에 관한 재미있는 자연현상과 원리들을 흥미롭게 만나볼 수 있을 것이다.

이 책의 구성 및 장점
― 개정된 교육과정을 반영하여 각 수업마다 연관되는 교과연계표를 삽입하였다. 즉, 교과 공부에도 도움을 주도록 하였다.
― 각 수업마다 ‘만화로 본문 읽기’ 코너를 두어 각 수업에서 배운 내용을 한 번 더 쉽게 정리할 수 있게 하였다.
― 꼭 알아야 할 중요한 용어는 ‘과학자의 비밀노트’ 코너에서 보충 설명하여 독자들의 이해를 도왔다.
― ‘과학자 소개 과학 연대표 체크, 핵심 내용 이슈, 현대 과학 찾아보기’로 구성된 부록을 제공하여 독자에게 본문 주제와 관련한 다양한 정보를 제공하였다.