열역학 - 열과 일 에너지와 엔트로피의 과학 -

“결코 흔들리지 않을 유일하고 보편적인 이론”
열역학의 기본개념에서 활용 및 발전사까지,
손에 잡히는 열역학 개론서
세계적인 물리화학자 스티븐 베리가 대중을 상대로 쓴 열역학 개론서. 열역학은 열과 일, 에너지와 엔트로피를 다루는 과학으로, “결코 흔들리지 않을 유일하고 보편적인 이론”이라는 아인슈타인의 말처럼 매우 근본적이며, 냉장고와 에어컨에서 보듯 우리의 일상에 깊이 스며들어 있고, 인류 역사의 큰 변곡점이 된 산업혁명이 증기기관과 함께 시작되었다는 사실로 알 수 있듯 오랜 역사를 지닌 분야이다. 그러다 보니 과학 교양서는 물론이고 사회학, 경제학 등 다양한 분야에서 ‘열역학’이나 ‘엔트로피’라는 말을 쉽게 접할 수 있는데, 이를 단독으로 다루는 과학책은 거의 전공서나 청소년책뿐이라 관심 있는 일반 독자들을 위한 입문서는 찾기 어려웠다.
학부생과 일반 성인을 대상으로 오랫동안 열역학 강의를 해온 저자는 이 책에서 열역학이 무엇인지, 왜 시간을 거슬러 돌아갈 수 없는지, 열역학을 어디에 어떻게 사용하는지, 열역학은 어떻게 발전해왔으며 앞으로 어떤 과제가 남아 있는지, 열역학 법칙들이 위반되는 경우도 있는지와 같은 질문들을 과학적 지식이 많지 않은 사람도 이해할 수 있도록 쉽고 명료하게 설명한다. 열역학의 기본개념에서 활용 및 발전사까지, 열역학에 관한 필수 지식과 더불어 과학 자체에 대한 통찰도 얻을 수 있는 책이다.

“열역학은 그 틀 안에서 우주의 모든 것을 다룰 수 있는 유일한 물리 이론이다. 결코 흔들리지 않을 것이다.” _알베르트 아인슈타인

초미세 입자에서 은하계 전체에 이르기까지
우주에서 관찰되는 모든 것에 적용되는 이론
열역학의 핵심을 알려주는 한 권의 책
과학에 큰 관심이 없더라도 ‘열역학’이나 ‘엔트로피’라는 말을 들어보지 못한 사람은 별로 없을 것이다. 열역학은 말 그대로 ‘열’과 ‘일’의 관계에 관한 학문으로, 초미세 입자에서 은하계 전체에 이르기까지 우주에서 관찰되는 모든 것에 적용되는 과학이다. “결코 흔들리지 않을 유일하고 보편적인 이론”이라는 아인슈타인의 말처럼 열역학은 매우 근본적이며, 냉장고와 에어컨에서 보듯 우리의 일상에 깊이 스며들어 있고, 인류 역사의 큰 변곡점이 된 산업혁명이 증기기관과 함께 시작되었다는 사실로 알 수 있듯 역사 또한 긴 분야이다. 이처럼 역사도 길고, 일상에 깊이 스며들어 있으며, 근본적인 분야인데도 불구하고, 열역학 관련 도서는 전공서이거나 청소년 도서뿐이라 열역학에 관심 있는 일반 독자를 위한 입문서는 찾기 어려웠다. 심지어는 과학책으로 보기 어려운 도서가 ‘엔트로피’라는 제목 때문에 서점의 과학 매대를 오랫동안 지키고 있기도 했다.
세계적인 물리화학자 스티븐 베리가 지은 이 작은 책에는 학부생과 일반 성인을 상대로 오랫동안 열역학 강의를 해온 노학자의 강의 노하우가 담겨 있다. 저자는 열역학 개념을 과학적으로 명확하게 잡고 논의를 이어가기 위해 열역학의 역사가 아니라 곧바로 열역학의 세 가지 법칙에 관해 설명한다. 저자는 이 책을 통해 열역학이 무엇인지, 우리는 그것을 어떻게 사용하는지, 열역학은 어떻게 존재하게 되었는지, 어떻게 발전해왔는지를 명쾌하고 간결하게 보여준다. 그런데 여기서 ‘열역학’은 ‘과학’의 다른 이름이기도 해서, 독자는 열역학에 대한 필수 지식에 더해 과학 자체에 관한 질문들, 과학이 무엇인지, 과학은 무슨 일을 하며 우리가 그것을 어떻게 이용하는지, 과학이라는 것이 어떻게 발전해가는지까지 알 수 있을 것이다.

“열역학 제2법칙을 설명할 수 있습니까?”
철스 퍼시 스노가 촉발한 ‘두 문화’ 논쟁에서 비롯된
세계적인 과학자의 명쾌하고 친절한 열역학 가이드
저자 스티븐 베리가 이 책을 쓰게 된 결정적 계기는 영국의 물리화학자이자 소설가 찰스 퍼시 스노의 유명한 ‘두 문화’ 논쟁과 관련이 있다. 1959년 케임브리지대학교에서 강연한 내용을 토대로 같은 해에 출간된 《두 문화와 과학혁명》이라는 책에서 스노는 과학자 문화와 인문학자 문화 사이의 괴리와 몰이해, 소통 부재를 언급하며 ‘열역학 제2법칙’을 예로 들었다. 스노에 따르면 “열역학 제2법칙을 설명할 수 있습니까?”라는 질문은 문학계에서 “셰익스피어의 작품을 읽은 적이 있습니까?”라는 질문에 해당한다. 스노의 ‘두 문화’ 강연과 책은 전 세계적으로 큰 반향을 일으켰다. ‘두 문화’라는 말은 관용어가 되었고, 지속적이고 강도 높은 논쟁이 이어졌다. 그런데 ‘두 문화’ 자체에 대한 논쟁과는 별개로, 저자는 1964년에 출간된 개정 증보판 《두 문화: 그 후의 고찰》에서 ‘열역학 제2법칙’이 ‘현대 생물학’으로 바뀌었다는 점에 주목한다. “그 당시에도 나는 이런 수정에 동의하지 않았지만, 생물학이 발전함에 따라 지금은 그의 처음 생각이 옳았다는 것이 명백해졌다. 왜냐하면 오늘날 생물학을 이해하려면 많은, 정말 많은 사실을 배워야 하지만 열역학을 이해하기 위해서는 그저 몇 가지 사실만 알면 되기 때문이다. 열역학은 현대 생물학처럼 방대한 양의 정보에 기반한 체계적인 추론보다는 몇 가지 개념에 뿌리를 둔 학문이다.”(6쪽) 저자는 누구나 가지고 있는 열과 온도에 대한 직관적인 느낌을 바탕으로, 명쾌하고 친절하게 열역학의 기본개념들을 차근차근 설명해나간다. 나아가 열역학에 남아 있는 질문들도 간단히 살펴본다. 이 책을 마지막으로 2020년 여름 세상을 떠난 저자의 출간 인터뷰에서, 우리는 과학에 대한 그의 애정을 엿볼 수 있다. "내가 대학원에 다닐 때는 아무도 열역학을 공부하고 싶어하지 않았다. 열역학에 관한 모든 질문이 던져져 이미 탐구되었고, 남아 있는 질문은 없다고 생각했기 때문이다. 하지만 내가 연구한 ’유한 시간 열역학‘은 그 생각이 얼마나 잘못되었고 어리석었는지를 보여준다. 과학은 닫히지 않는다. 그것이 과학이 재밌는 이유이다.“(〈유시카고 뉴스〉, 2019. 4. 26.)

열역학의 기본개념에서 활용 및 발전사까지
손에 잡히는 열역학 개론서
이 책은 총 7장으로 구성되어 있다. 각 장에서 다루는 내용을 간략히 살펴보면 다음과 같다.
1장 ‘열역학이란 무엇인가?’에서는 온도, 압력, 부피, 열, 일, 에너지, 평형, 엔트로피 등 열역학의 기본개념들과 열역학 제1법칙을 소개한다. “에너지는 결코 생성되거나 파괴될 수 없으며, 형태와 위치만 변할 수 있다. 초기 상태에서 최종 상태로의 시스템 에너지 변화는 두 상태의 에너지 차이에만 의존하고, 상태 간에 이동하는 경로에는 의존하지 않는다.” 당연하고 사소해 보이지만 “열, 일, 전자파, 중력, 질량 등 에너지가 취할 수 있는 모든 형태를 생각해보면, 이 법칙이 얼마나 놀랍고도 멋진 선언인지”를 깨달을 수 있다.
2장 ‘왜 시간을 거슬러 돌아갈 수 없는가?’에서는 제2법칙과 제3법칙을 알아본다. 제2법칙은 일어날 수 있는 일과 없는 일을 구분함으로써 시간의 방향을 알려준다. 제2법칙에서 가장 중요한 변수가 ‘엔트로피’이다. 처음 도입된 이후 사회학, 생물학, 정치학 등 다양한 분야로 확대 적용되어온 ‘엔트로피’는 열역학을 대표할 만한 핵심 개념으로, 간단히 말하자면 “우리에게는 같아 보이지만 모든 구성 원자가 얼마나 많은 방법으로 존재할 수 있는가에 관한 척도”라고 할 수 있다. 제3법칙은 온도에는 ‘절대영도’라는 절대적인 하한점이 있으며, 실제로 유한한 단계를 거쳐서는 절대영도에 도달할 수 없다는 법칙이다.
3장 ‘고전적인 열역학은 어떻게 생겨났는가?‘에서는 열역학의 역사를 돌아본다. 열역학은 광산에서 물을 퍼내는 펌프를 더 효율적으로 구동시키는 문제에서 촉발된 과학이다. 이와 관련하여 초기 증기기관의 원리와 발전사, 그리고 그 과정에서 활약한 조지프 블랙, 벤저민 톰프슨, 존 돌턴, 조제프 게이뤼삭, 사디 카르노, 앙드레마리 앙페르, 제임스 프레스콧 줄, 윌리엄 톰슨, 빅토르 르뇨, 윌러드 기브스 같은 과학자들을 다룬다. 또한 열의 정체에 관한 논쟁을 통해 에너지와 에너지 보존 개념이 발전한 과정도 제시된다.
4장 ’열역학을 어떻게 사용하는가, 혹은 사용할 수 있는가?‘에서는 열역학이 실제로 어떤 분야에서 어떻게 사용되는지 알아본다. 대표적으로 냉장 및 냉방처럼 냉각 과정과 관련된 분야, 다양한 형태의 에너지를 전기라는 특정한 형태로 변환하는 전기 생성, 즉 발전 분야, 백열등, 형광등, LED등처럼 전기에너지를 가시광으로 바꾸는 조명 분야다. 열역학은 이렇게 일상에 깊게 스며들어 있으며, 에너지를 변환하는 과정에서 최대의 이득을 얻는 방법의 기준이 된다.
5장 ’열역학은 어떻게 진화해왔는가?’는 열역학의 선구자들이 기초를 확립한 이후에 열역학이 어떻게 발전해왔는지를 다룬다. 통계학, 통계역학이 등장하면서 전통적인 열역학의 거시적 접근과 기본 구성 요소인 원자를 기반으로 한 미시적인 설명 사이의 연결이 가능해졌다. 실제 가솔린 엔진에서 기본이 되는 ‘오토 순환과정’을 단계별로 이해하고, 열역학과 양자역학의 관계도 알아본다.
6장 ‘열역학의 전통적인 범위를 어떻게 넘어설 수 있는가?’에서는 탐구할 만한 모든 질문이 이미 나왔다고 여겨졌던 열역학 분야에 남아 있는 질문들을 다룬다. 열역학은 기본적으로 평형상태를 다루지만, 엄밀한 의미에서는 그 어떤 것도 평형상태에 있지 않다. 20세기가 진행되면서 열역학의 주제는 평형상태에 있지 않은 시스템으로 확장되었는데, 이 장에서 그 확장의 내용과 쓰임에 대해 개략적으로 알아본다. 이는 저자의 주요 업적이기도 하다.
7장 ‘열역학은 과학에 관해 무엇을 가르쳐줄 수 있는가?‘는 일종의 개관으로, 특정한 과학인 열역학을 통해 과학이 무엇이고 어떤 일을 하는지, 과학적 지식은 어떤 식으로 검증 또는 반증되는지, 새로운 개념을 탐구하는 위한 도구나 방법은 어떻게 발전하는지 알아본다. ’과학‘에 대한 우리의 선입견과는 다르게 역사적으로 과학은 종종, 옳다고 입증할 수는 없지만 유용하고, 관찰되는 모든 사실과 일관성이 있는 개념을 발전시켜나가며 진화해왔다. 이 장에서 저자는 과학 지식은 결코 확고하게 고정된 절대 진리가 아니라는 점을 강조한다.  

지은이 : 스티븐 베리
미국 물리화학자. 이론과 실험 분야 모두에서 중요한 발견을 한 ‘르네상스형 과학자’로, 하버드대학교에서 박사학위를 받고 미시간대학교, 예일대학교를 거쳐 1964년부터 시카고대학교에서 가르쳤다. 코펜하겐대학교, 파리11대학교, 옥스퍼드대학교에서 초빙 교수로 재직했으며 예술과학아카데미 부회장, 국립과학아카데미 국내담당 이사를 역임했다. 미국 최초의 국립연구소인 아르곤국립연구소에서 특별 고문을 맡기도 했다. 1971년 구겐하임 펠로, 1983년 맥아더 펠로에 선정되었다. 영국 왕립화학회, 미국 화학회, 미국 물리학회, 미국 철학회 회원이었다. 주요 연구 분야는 클러스터 및 바이오 폴리머의 구조와 특성, 동역학, 열역학이며, 특히 무한히 느린 이상적인 속도가 아닌 실제 속도로 작동하는 시스템의 최적 성능을 연구하여 ‘유한-시간 열역학’을 발전시켰다. 전통적인 과학 연구 외에도 에너지 정책, 과학의 무결성 문제, 과학이 정부의 정책에 미치는 영향, 과학 교육 분야에 기여했으며, 공저로 여러 전공서를 집필했다. 2020년 7월 세상을 떠났다.

옮긴이 : 신석민
서울대학교 자연과학대학 화학부 교수. 생명현상의 이해와 신재료 개발의 근본이 되는 다양한 분자시스템의 기능을 탐구하기 위해 이론물리화학 및 계산화학을 연구하고 있다. 서울대학교 교무처장, BK 화학분자공학사업단 단장, EDISON 계산화학 전문센터장 등을 역임했으며, 대한화학회에서 수여하는 젊은물리화학자상과 입재물리화학상을 수상했다. 함께 지은 책으로 《생명의 화학, 삶의 화학》이, 함께 옮긴 책으로 《물리화학: 양자, 물질, 변화》가 있다.

머리말

1장 열역학이란 무엇인가?(제1법칙)
2장 왜 시간을 거슬러 돌아갈 수 없는가?(제2법칙과 제3법칙)
3장 고전적인 열역학은 어떻게 생겨났는가?
4장 열역학을 어떻게 사용하는가, 혹은 사용할 수 있는가?
5장 열역학은 어떻게 진화해왔는가?
6장 열역학의 전통적인 범위를 어떻게 넘어설 수 있는가?
7장 열역학은 과학에 관해 무엇을 가르쳐줄 수 있는가?

옮긴이의 말
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