열과 엔트로피는 처음이지?

열과 엔트로피의 물리 개념을 이해하는 가장 좋은 방법!
우리가 사는 세상과 우주의 변화 방향까지 알려주는 열과 엔트로피의 개념을
흥미로운 스토리텔링과 함께 따라가 보자.

이 책은 열에서 엔트로피의 탄생까지 총 9개의 장으로 이루어져 있으면 상각각의 장은 아래의 세 부분으로 구성되어 있다.

도입 : 주제와 관련된 핵심적 역사내용으로 문제를 제기하면서 호기심을 유발
열을 이야기하기 위해 처음 1장에서 불의 발견 이야기로 시작하는 장면부터가 흥미롭다. 결국 열이라는 개념이 불의 발견부터 시작되기 때문이다. 또 열은 온도와 관련이 있으므로 온도가 무엇인지에 대한 질문을 던지는(2장) 장면부터 호기심이 유발된다. 이렇게 열에 대한 개념에 눈을 뜬 사람들이 기계에 의해 작동되는 증기기관을 발달시켜 나가는(4장) 장면은 본격적인 관심을 끈다. 그 가운데 도입된 열소설(5장), 에너지 개념의 등장으로 발견된 에너지 보존법칙(6장), 열역학 제1, 2법칙(7장) 등은 마치 숨겨진 비밀의 베일이 하나씩 풀리는 느낌이다. 결국 열기관의 원리를 과학적으로 설명하려는 노력에 의해 엔트로피가 도입되는 부분(8장), 엔트로피가 과학뿐만 아니라 우리가 살아가는 세상과도 관계가 있을 거라는(9장) 질문은 엔트로피에 대한 호기심을 유발하기에 충분하다.

본문 : 핵심적인 주제를 밝히기 위해 전개된 역사와 과학적 이론을 스토리텔링, 그림과 함께 소개
본문에서는 각 장의 주제에 대한 과학적 발견 과정들을 과학의 역사, 관련 그림 자료 등과 함께 소개하여 지루하지 않게 과학적 사실에 접근하게 해준다. 예를 들어 3장 ‘열역학의 태동’에서는 열 현상을 설명하기 위해 도입된 열역학과 통계물리학이 어떤 과정을 거쳐 확립하게 되었는지를 보일의 법칙과 샤를의 법칙이 등장하는 과정을 통해 설명해준다. 또 4장 ‘열기관의 발달’에서는 증기기관의 발달과정을 열 개념의 발달과정과 연관시켜 소개함으로써 흥미를 북돋운다. 그리고 이러한 열기관의 원리를 과학적으로 이해하기 위한 열소설, 에너지 보존법칙, 열역학 제1, 2법칙, 엔트로피 등이 등장하는 과정을 관련 과학자의 역사적 탐구 내용, 심지어 시행착오까지 적나라하게 다룸으로써 재미있게 내용을 따라가게 해주어, 결국 마지막에는 과학원리를 쉽게 이해하도록 돕는다.

열역학 산책 : 산책하듯 가볍게 열과 엔트로피와 친해질 수 있는 이야기들
사실 물리학에서 열과 엔트로피는 재미없고 딱딱한 주제일 수가 있다. 그래서 본 책에서는 가볍게 쉬어 갈 수 있는 ‘열역학 산책’ 코너를 마련해 두었다. 인류에게 불을 전해준 프로메테우스(1장) 이야기는 불에 대한 과학적 개념을 좀 더 자유롭게 해준다. 우주 공간의 온도는 어떻게 측정할까?(2장)라는 주제는 상상력을 확장시켜준다. 4장 ‘레인힐 기관차 경주대회’와 6장 ‘다양한 형태의 영구기관들’ 등은 잠시 과학개념에서 벗어나 머리를 식히기에 딱 좋은 주제다. 7장 ‘에너지를 재생하는 것이 가능할까?’와 8장 ‘원숭이가 책을 쓰는 것이 가능할까?’ 등은 쉬어가는 시간에 또 다른 사고력을 유발하기에 좋다. 9장 ‘공짜 점심 같은 것은 없다.’는 엔트로피의 개념을 좀 더 쉽게 익힐 수 있게 도와준다.

곽영직
서울대학교 자연과학대학에서 물리학을 공부한 후 미국 켄터키대학교 대학원에서 박사 학위를 받았다. 수원대학교 물리학과 교수로 재직하면서 자연대학장, 대학원장 등을 역임했으며, 현재는 명예 교수로 있다. 『양자역학은 처음이지?』, 『상대성이론은 처음이지?』, 『지구와 생명의 역사는 처음이지?』, 『14살에 시작하는 처음 천문학』, 『14살에 시작하는 처음 물리학』, 『양자역학으로 이해하는 원자의 세계』, 『과학자의 철학 노트』 등을 썼고, 『오리진: 우주 진화 140억 년』, 『우주의 기원 빅뱅』, 『힉스 입자 그리고 그 너머』, 『BIG QUESTIONS 118 원소』 등을 번역했다. 중학교 『과학(금성출판사)』 교과서와 고등학교 『물리Ⅰ(YBM)』 교과서를 비롯해서 『전기와 자기』, 『쿤이 들려주는 과학 혁명의 구조 이야기』, 『왜 땅으로 떨어질까?』 등 어린이·청소년 과학책의 필자이기도 하다.

작가의 말 • 4

1장 인류 문명과 불
평화의 상징이 된 불 • 14
인류가 불을 사용하기 시작하다 • 18 토기를 만들다 • 21
청동기 시대 • 25 철기 시대 • 27 현대 문명의 불, 전기 • 30
열역학 산책: 인류에게 불을 전해준 프로메테우스 • 33

2장 물질과 열
셀시우스와 섭씨온도계 • 38
열운동과 내부 에너지 • 41 불이란 무엇일까? • 45
온도의 측정 • 49 물질의 상태 변화와 온도 • 54
열역학 산책: 우주 공간의 온도는 어떻게 측정할까? • 61

3장 열역학의 태동
보일의 『회의적인 화학자』 • 64
열역학과 통계물리학 • 67 보일의 법칙과 샤를의 법칙 • 69
열량과 비열 • 74 열적 평형상태와 열역학 제0법칙 • 8
에너지의 전달-대류, 전도, 복사 • 81
열역학 산책: 금속 의자가 왜 나무 의자보다 더 차가울까? • 85

4장 열기관의 발달
헤론의 구 • 88 파팽의 증기기관 • 91 세이버리의 진공기관 • 93
뉴커먼의 증기기관 • 94 와트의 증기기관 • 96 증기기관차의 발달 • 101 증기선의 등장 • 104
열역학 산책: 레인힐 기관차 경주대회 • 107

5장 열소설과 운동설
물레방아와 증기기관 • 112 블랙과 라부아지에의 열소설 • 115 럼퍼드의 운동설 • 117
카르노와 열기관의 열효율 • 120 카르노 기관 • 125 열효율의 최댓값 • 128
열역학 산책: 우리말과 영어의 차이 • 133

6장 에너지 보존법칙
뉴턴역학과 에너지 • 138 에너지와 동력, 그리고 일률 • 141
마이어와 헬름홀츠의 에너지 보존 법칙 • 143
줄의 열의 일당량 실험 • 147 에너지 보존법칙 • 149 에너지 보존
법칙만으로는 설명할 수 없는 현상들 • 152
열역학 산책: 다양한 형태의 영구기관들 • 155

7장 열역학 제2법칙과 엔트로피
애국심이 강했던 클라우지우스 • 160
열역학 제1법칙과 제2법칙 • 163 엔트로피 • 169
엔트로피 증가의 법칙과 열기관의 열효율 • 175 엔트로피를 통해 본 세상 • 178
열역학 산책: 에너지를 재생하는 것이 가능할까? • 182

8장 엔트로피의 통계적 해석
원자와 분자는 실제로 존재하는가? • 186
분자 운동론적 해석 • 190 미시 상태와 거시 상태 • 193
통계적 엔트로피 • 199 통계적 엔트로피와 열역학 제2법칙 • 202
통계적 엔트로피는 실제로 측정 가능할까? • 206
상태의 변화와 자유 에너지 • 207 우주와 엔트로피 • 211
열역학 산책: 원숭이가 책을 쓰는 것이 가능할까? • 213

9장 열역학 밖으로 나간 엔트로피
과학적 엔트로피와 인문학적 엔트로피 • 218 슈뢰딩거의 『생명이란 무엇인가?』 • 221
생명체와 엔트로피 • 224 제레미 리프킨의 『엔트로피』 • 226
시간과 엔트로피 • 232 경제 발전과 기술의 진보 • 233 교육과 엔트로피 • 236
열역학 산책: “공짜 점심 같은 것은 없다.” • 239

| 부록 | 통계적 엔트로피를 왜 S=kBlogG로 정의했을까? • 242