열역학 제1법칙 에너지 보존 법칙

열역학 제1법칙이란 무엇인가? 열역학 제1법칙을 들어본 적이 있나요? 아마도 관련 전공자 아니면 들어본 적이 없을 겁니다. 하지만 에너지 보존 법칙은 들어 보신 적 있을 겁니다. 어떤 의미인가요? 말 그대로 에너지의 총합은 동일하다는 겁니다. 에너지는 일상 생활에서 다양한 언어들로 사용됩니다. 에너지란 말이 그렇게 어렵지 않으니 계속해서 에너지라고 쓰도록 하겠습니다. 예를 들어 내가 낮은 위치에 있던 물건을 높은 위치로 옮겼다고 가정해봅시다. 그러면 어떤 에너지가 어떻게 바뀐 걸까요? 바로 내가 힘을 써서 물건의 높은 곳으로 옮긴 것입니다. 내가 쓴 에너지는 물건에게 위치 에너지를 바뀌었습니다. 위치 에너지란 것은 물건이 높이 있고 그 물건이 떨어진다면 무엇인가 부서질 수 있겠죠. 낮은 곳에 있었을 때는 그런 일을 할 수 없었죠. 위치 에너지가 없었기 때문이죠. 내가 한 에너지가 물건에게 위치 에너지를 준 것입니다. 내가 쓴 에너지는 음식물을 섭취해서 얻은 에너지라고도 할 수 있죠. 그렇다면 내가 쓴 에너지가 모두 물건의 위치 에너지로 바뀐 것인가요? 물론 그렇다면 좋겠습니다. 하지만 아닙니다. 에너지가 변환될 때 손실이 있습니다. 그 손실된 에너지까지 에너지 총합에 포함이 되는 것이죠. 예를 들어 내가 최초에 낸 에너지가 10이라고 한다면 물건이 갖게 된 위치 에너지가 8 정도라고 가정하겠습니다. 그렇다면 2는 어디로 간 것일까요? 과장된 것이겠지만 내가 몸을 움직이고 물건이 위치가 변할 때 공기의 저항 때문에 에너지를 소비하였습니다. 이렇듯 에너지가 변환 과정에서 손실이 발생하므로 의미없이 에너지를 자주 바꾸는 것은 좋지 않습니다. 효율이 아무리 높다고 하여도 에너지 형태가 바뀔 때마다 에너지는 줄어드니까요. 예를 들어보겠습니다. 수력 발전으로 전기를 생산한다고 가정하죠. 물의 위치에너지가 전기를 만들어 내는 겁니다. 물이 떨어지면서 발생하는 에너지를 전기로 변환하는 것이죠. 바뀐 전기가 있습니다. 하지만 사용할 곳이 없어서 저장을 해 두려고 합니다. 하지만 전기 형태로 저장을 한다면 방전이 될 것 같아서 다른 형태로 바꾸려고 합니다. 그 전기로 모터를 돌려서 물을 다시 위로 올릴 수 있겠죠. 하지만 계산을 잘 해야 합니다. 전기 형태로 방전되어 손실된 전기가 많을지 아니면 전기 에너지가 물의 위치 에너지로 바뀔 때 손실이 많을지를 말이죠. 혹시 무한 동력이란 말을 들어 보신 적이 있나요? 에너지를 계속해서 만들어내는 시스템을 말하는 것입니다. 이 소재를 이용해서 만화도 있었던 걸로 기억합니다. 이제 이 무한 동력이란 것이 왜 불가능한지 이해하셨을 겁니다. 무한 동력이란 것은 무한히 에너지를 내는 시스템입니다. 초기에 어떤 에너지를 투입하든 줄지 않고 에너지를 계속 배출해야 하는 것이죠. 하지만 에너지 보존 법칙에 비추어 보면 불가능합니다. 어떠한 에너지라도 변환가정에 손실이 있기 때문입니다. 따라서 100퍼센트 효율로 에너지를 바꿀 수도 없습니다. 이것은 전환 관점에서 본 것이고 무한 동력이란 것은 일부 동력을 쓰고도 계속 쓸 수 있어야 하기 때문에 100퍼센트 이상의 효율을 내야 합니다. 투입된 것보다 많은 에너지를 발생해야 한다는 것이죠. 사실 이것은 열역학 제1법칙의 위배가 아닙니다. 우주의 진리가 위배되는 것이죠. 내가 1을 썼는데 2가 나온다. 그런 시스템이 우주에 있을까요? 지금까지 봐왔던 세상에서 이런 시스템은 없었습니다. 항상 그 이상의 것들을 투입해서 그것보다 작은 것들을 얻어왔습니다. 다만 다른 형태의 것들로 변환되어 사용성이 좀 더 좋은 것이죠. 일상생활을 예로 들어보겠습니다. 열역학 제1법칙에서 먼 곳까지 온 것 같네요. 회사에서 일하는 회사원이라고 가정해봅시다. 월 200만원의 월급을 받는다고 가정하겠습니다. 이 사람이 회사에서 하는 일의 가치가 200만원일까요? 아닙니다. 딱 200만원이라면 회사는 망할 겁니다. 회사에서 기여하는 가치는 200만원 이상입니다. 기여하는 가치와 이 사람이 받는 월급 차이가 회사에서 가져가는 이익이겠죠. 그렇다면 다시 한번 물어보겠습니다. 이 사람이 회사에 기여하는 가치가 400만원이라고 합시다. 이 사람이 400만원의 가치를 내기 위해 투입한 에너지는 얼마일까요? 아마도 400만원 이상일 겁니다. 매일 아침 잠과 싸우면서 일어나고 상사한테 받는 스트레스 동료와 의견 충돌 소진하는 에너지는 400만원 이상일 겁니다. 하지만 왜 이런 비효율적인 일을 하는 것일까요? 바로 사용성일 떨어지는 500만원의 몸 에너지를 교환성이 있는 400만원의 가치로 바꾼다고 볼 수 있습니다. 그리고 회사에서 일부를 가져가고 나머지 200만원을 가져가는 것이죠. 이것도 계산해보면 열역학 제1법칙에 따라 에너지 총량은 같을 수 있습니다. 어찌되었든 세상에는 투입한 것보다 더 많이 주는 시스템은 없다는 겁니다. 그런 시스템이 있다면 인류의 발전 속도는 지금과 같지 않았을 겁니다. 또한 자연파괴도 없었을 겁니다. 더 이상 석유를 캘 필요도 없습니다. 초기의 조금의 에너지만 있으면 되니까요. 그것으로 무한히 동력을 불려 나갈 수 있는 것이죠. 하지만 아직까지 그런 것이 있다고 들어보지 못하였습니다. 물론 지금 말씀드리는 것은 지구라는 물리세계에서 살아온 사람들의 결론일 뿐입니다. 다른 차원의 다른 물리 법칙이 적용되는 세상이 있다면 지금까지 말씀드렸던 내용은 모두 거짓이고 허무맹랑한 소리이겠죠. 다른 차원의 존재에게 열역학 제1법칙을 설명하면 콧방귀 뀔 수도 있겠네요. 그런 거짓말 같은 법칙이 있냐고 에너지는 무한히 발생하는 것이고 따라서 어떠한 자원을 캘 필요도 없고 자연 파괴를 할 필요도 없다. 다만 초기의 소량의 에너지만 있으면 된다고 말이죠.