열역학 관련 기본 개념들

열역학을 알기 위해서 알아야 하는 기본 개념들이 있습니다. 열역학에 기초가 되는 기본 개념들에 대해서 알아보겠습니다. 열역학은 당연히 열을 다루는 학문입니다. 그렇다면 열이란 것은 어떤 의미일까요? 일반적으로 열이란 뜨거운 무엇인가를 생각할 수 있습니다. 그렇다면 뜨겁다는 것을 어떻게 알 수 있을까요? 우리가 흔히 사용하는 몇 도냐 온도가 얼마인지를 확인하면 열이 있는지를 확인할 수 있습니다. 아마도 해외 특히 미국을 다녀오신 분은 단위가 달라서 혼란스러운 경험을 하신 적이 있을 겁니다. 우리는 섭씨를 쓰지만 미국은 화씨를 씁니다. 화씨를 쓰는 나라를 찾아보니 정말 소수입니다. 미국을 포함해서 몇 나라 안 됩니다. 아마도 미국을 말고 다른 나라에서 온도 때문에 혼란스러운 일은 없을 것 같습니다. 섭씨와 화씨에 변환에 대해서 설명 드리기 전에 섭씨와 화씨 이름 유래에 대해서 말씀드리겠습니다. 아마도 유 퀴즈 온 더 블럭에서 나온 적이 있던 걸로 기억합니다. 섭씨는 셀시우스란 사람이 발명했습니다. 그 사람의 한자 이름이 섭이수입니다. 섭이수 씨가 발명했다 해서 섭씨입니다. 화씨도 유사합니다. 파렌하이트가 발명했습니다. 이 사람의 한자 이름은 화륜해특입니다. 화륜해특 씨가 발명했다 해서 화씨입니다. 그렇다면 화씨와 섭씨의 차이는 무엇일까요? 어떤 것을 기준점으로 잡았느냐의 차이입니다. 섭씨는 간단합니다. 우리가 흔히 사용했던 온도이고 실생활에서 기준점에 대한 이야기를 많이 합니다. 섭씨 0도는 물이 어는 온도입니다. 섭씨 100도는 물이 끓는 온도입니다. 간단하게 생각해서 물이 상태 변화가 생기는 온도를 기준으로 잡았다고 생각하시면 됩니다. 액체가 고체로 변화는 온도 0도, 액체가 기체로 변화되는 온도 100도. 두 지점을 잡고 그 사이를 균일하게 나눈 것이죠. 대략적으로 이렇게 이해하면 편하다는 것이지 백퍼센트 정확하다고 할 수는 없습니다. 그렇다면 화씨는 어떤 온도를 기준으로 잡았을까요? 화씨 0도는 염화 암모늄과 물과 얼음을 동일한 비율로 섞어 가장 낮은 온도입니다. 염화 암모늄을 섞은 이유에 대해서는 이유가 있었던 것 같지만 이 부분은 전문 분야가 아니기 때문에 지나가겠습니다. 화씨로 얼음의 어는 온도는 32도입니다. 화씨 32도가 섭씨 0도입니다. 물이 끓는 온도를 화씨로 표현하면 212도입니다. 화씨와 섭씨의 관계에 대해서 두 가지 수식을 적었습니다. 이러면 섭씨와 화씨의 관계식을 도출하실 수 있습니다. 계산하기 전에 전제가 필요합니다. 섭씨와 화씨의 관계가 선형으로 비례하여야 합니다. 선형적으로 비례한다고 알고 있기 때문에 그냥 사용하시면 됩니다. 즉 그렇다면 모르는 값이 두 가지입니다. 섭씨와 화씨의 기울기 관계와 매개 변수를 모릅니다. 이 부분은 그냥 가볍게 들어도 됩니다. 기울기 X 화씨 온도 = 섭씨 온도 + 매개변수 이렇게 가정해보겠습니다. 기울기 X 212 = 100 + 매개변수. 또 다른 수식을 세우겠습니다. 기울기 X 32 = 0 + 매개변수. 모르는 변수가 두 개이고 공식이 두 개가 나왔습니다. 계산을 해보면 기울기는 10/18이 나옵니다. 매개변수는 160/9가 나옵니다. 다시 공식에 대입해서 이쁘게 고쳐보면 화씨 = 1.8 X 섭씨 + 32 입니다. 섭씨에서 화씨로 변환할 때는 1.8을 곱해주고 32도를 더해주면 됩니다. 화씨에서 섭씨로 바꿀 때는 32도를 빼고 1.8을 나눠주면 됩니다. 하지만 이렇게 직접 계산할 일이 일상생활에서 많이 없습니다. 간혹 변환이 필요할 때는 검색엔진에서 온도 변화를 치시면 됩니다. 그러면 거기에 값을 입력하면 바로 변환된 온도를 알 수 있습니다. 대략적으로 이런 변화의 관계가 있다는 것만 알고 계시면 될 것 같습니다. 섭씨, 화씨에 대해서 알아보았습니다. 이과 출신이시라면 켈빈이라는 단위가 있다는 것도 아실 겁니다. 켈빈 0도는 절대 온도입니다. 켈빈 0도 절대온도에서는 모든 분자의 운동이 멈추는 온도입니다. 과학자들은 이런 기준을 설립하는 것을 좋아하는 것 같습니다. 물론 의미 있는 기준입니다. 이 기준에서 무엇인가를 측정할 수 있기 때문이죠. 섭씨와 켈빈의 관계는 273.15 차이가 있습니다. 켈빈 0도는 섭씨 마이너스 273.15도입니다. 몇 가지 의미 있는 온도를 말씀드리겠습니다. 섭씨 기준입니다. 켈빈 단위의 기준인 절대 0도는 섭씨 마이너스 273.15도. 산소 끓는 점은 섭씨 마이너스 183도입니다. 여기서 잠깐 설명 드리자면 어는 점과 끓는 점은 상태 변화가 일어나는 온도입니다. 산소의 끓는 점이라고 하니 왠지 굉장히 생소합니다. 왜냐하면 산소는 일상생활에서 기체 상태이기 때문입니다. 산소의 끓는 점을 생각해보면 그 온도 아래로 내려갈 경우 액체로 변한다는 것을 알 수 있습니다. 즉 마이너스 183도 이해에서는 액체 상태로 있다가 그 온도를 넘어서면 우리가 일상에서 접하는 기체로 변한다는 것이죠. 섭씨 마이너스 183도에서는 사람이 살기 힘드니 실제로 볼 일은 없을 것 같습니다. 실험으로 특수한 환경을 만들어 놓고 측정을 했을 겁니다. 기체들은 끓는 점이 이렇게 매우 낮을 겁니다. 다시 의미 있는 온도로 돌아가겠습니다. 섭씨 0도는 물이 어는 점입니다. 알콜이 끓는 점은 78도입니다. 흔히 알콜이 쉽게 기화가 된다고 하죠. 그리고 요리할 때 소주나 각종 알콜을 넣어도 크게 신경 쓰지 않는 이유가 여기에 있습니다. 요리가 끓는 점보다 알콜이 끓는 점이 낮습니다. 그러면 가열을 하는 도중에 알콜은 이미 날라가고 없습니다. 그래서 최종 완성도 요리에는 알콜이 없는 겁니다. 물이 끓는 점 100도입니다.