열역학 제1법칙과 기체안의 분자

열역학 제1법칙과 기체 안의 분자를 살펴보기 전에 이들의 상관관계와 연구를 한 학자에 대해서 먼저 살펴보자. 루돌프 클라우지우스는 열운동 이론에 지대한 기여를 한 부분이 많다. 그 출발점은 강한 냄새를 풍기는 기체가 방 안에서 퍼지는 것에 대해 분자 충돌 이론의 틀 안에서 고민한 것부터 시작된다. 클라우지우스는 결국 그 문제를 해결하였다. 그것을 위해 지금까지도 사용되는 몇 가지의 개념을 도입했는데, 예를 들면 평균 자유 거리, 효율 단면 등이 문제의 해결을 위해 적용되었다.

열역학 제1법칙과 기체안의 분자

1. 열역학의 제2법칙

열역학의 제1법칙 발견은 영국의 물리학자인 제임스 프레스컷 줄과 깊이 관련되어 있다. 제1법칙은 사실 에너지 보존 법칙의 다른 형태일 뿐이다. 물리학의 이러한 근본적인 원리에 따르면 임의적인 과정에서 전체 에너지는 언제나 똑같이 유지된다. 에너지 보존의 법칙은 헤르만 루드비히 페르디난트 폰 헬름홀츠, 제임스 프레스컷 줄 그리고 율리우스 폰 마이어 등이 각각 발견했다. 열역학에서는 이미 사디 카르노가 그 사실을 짐작하고는 있었지만 그 원리를 분명하게 정의한 것은 제임스 프레스컷 줄이었다. 열역학의 제1법칙은 열역학 분야의 많은 부분과 마찬가지로 루돌프 클라우지우스가 형식적으로 완성하였다. 그는 또 열역학의 제2법칙도 발견했다.

2. 절대 온도의 수치

온도계의 발명과 관련해서 앞서 파렌하이트, 셀시우스 그리고 레오뮈르가 기준점에 대한 정의에 따라 서로 다른 온도 수치를 제시했다는 이야기를 소개하였다. 19세기에 윌리엄 톰슨은 무한적이고, 보편적으로 유효한 절대적인 온도 수치에 대한 생각을 발전시켰다. 그 출발점은 증기 기관의 열효율에 대한 사디 카르노의 연구에서 시작한다. 기계가 열에너지의 흡수와 배출을 위해 사용하는 이러한 열효율은 뜨거운 온도 저장소와 차가운 온도 저장소 간의 온도차에 의해 좌우된다. 증기기관의 열효율은 100% 이상일 수 없다. 이러한 사실에 기초해 절대영도가 존재할 수밖에 없다는 사실을 알 수 있다. 1도의 온도 차이가 어느 정도의 온도 상승에 해당하는지를 규정할 수 있다면 자연적이고 절대적인 온도 수치를 얻을 수 있을 것이다. 그 결과 계산된 절대영도 섭씨는 마이너스 273.15도이다. 절대 온도 수치는 윌리엄 톰슨에 대한 존경을 표하기 위해 캘빈이라고도 한다.

3. 기체 안의 분자

열운동 이론의 목표는 기체의 특성과 분자 등 다수의 통계적인 성질을 통해 열역학의 규칙성을 유출하는 것이다. 앞서 압력과 부피의 곱이 분자의 중간 운동 에너지와 깊은 관련이 있다는 다니엘 베르누이의 중요한 사전 연구에 대해 살펴보았다. 루돌프 클라우지우스의 이상 기체의 방정식에서 또 온도는 기체 분자의 중간 운동 에너지를 나타내는 수치일 뿐이라는 것을 알게 되었다. 운동 에너지는 그러나 분자의 속도와 관련을 갖기 때문에 기체 안에서 분자는 얼마만큼의 빠르기로 움직이는가라는 물음이 제시될 수 있다. 물론 모든 분자가 같은 속도로 움직이는 것은 아니다. 좀 더 빠른 분자도 있고 좀 더 느린 분자도 있다. 그러므로 이 질문은 ㄴ다음과 같이 정확히 표현되어야 할 것이다. 특정한 온도에서 기체 내의 분자 속도는 어떤 분포를 보이는가 이 질문에 대한 대답은 전자기의 아버지로 간주되는 제임스 클러크 맥스웰에게서 얻을 수 있다. 맥스웰은 1859년에 자신의 이름을 딴 맥스웰의 속도 분포 법칙을 만들었다.

캘빈 경은 그의 열역학 연구 결과를 지구에 적용해 보았고 그래서 지구 표면의 온도 경사를 통해 지구의 나이를 4억 년이라고 추정했다. 이는 50억년 이라는 현대의 수치에 비해 현저히 적은 수치이다. 그로 인해 켈빈 경은 지구의 발전 과정에는 훨씬 더 긴 시간이 필요하다고 생각했던 수많은 지질학자와 생물학자들로부터 쏟아지는 비판을 받았다. 하지만 결국 켈빈 경의 권위는 많은 사람들이 켈빈 경의 잘못된 계산 결과를 사실로 받아들이게 만들었다. 이로 인해 과학에 어느 정도 오류를 가져오긴 했지만 이 분야의 연구 활동은 더욱 활성화되었다. 한 가지 덧붙이자면 켈빈 경의 오류는 방사능이라는 것을 아직 몰랐기 때문에 발생한 것이었다. 지구 내부에서 이루어지는 방사능 핵분열이 냉각 속도를 늦추었다는 사실을 미처 발견하지 못했던 것이다.