18세기에는 열의 실체가 칼로릭이며 칼로릭은 온도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 흐르는 성질을 갖고 있는, 질량이 없는 입자들의 모임이라는 생각이 받아들여지고 있었다. 이를 칼로릭 이론이라 부르는데, 이에 따르면 찬 물체와 뜨거운 물체를 접촉시켜 놓았을 때 두 물체의 온도가 같아지는 것은 칼로릭이 뜨거운 물체에서 차가운 물체로 이동하기 때문이라는 것이다. 이러한 상황에서 과학자들의 큰 관심사 중의 하나는 증기 기관과 같은 열기관의 열효율 문제였다.

열기관은 높은 온도의 열원에서 열을 흡수하고 낮은 온도의 대기와 같은 열기관 외부에 열을 방출하며 일을 하는 기관을 말하는데, 열효율은 열기관이 흡수한 열의 양 대비 한 일의 양으로 정의된다. 19세기 초에 카르노는 열기관의 열효율 문제를 칼로릭 이론에 기반을 두고 다루었다. 카르노는 물레방아와 같은 수력 기관에서 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르면서 일을 할 때 물의 양과 한 일의 비가 높이 차이에만 좌우되는 것에 주목하였다. 물이 높이 차에 의해 이동하는 것과 흡사하게 칼로릭도 고온에서 저온으로 이동하면서 일을 하게 되는데, 열기관의 열효율 역시 이러한 두 온도에만 의존한다는 것이다.

한편 1840년대에 줄은 일정량의 열을 얻기 위해 필요한 각종 에너지의 양을 측정하는 실험을 행하였다. 대표적인 것이 열의 일당량 실험이었다. 이 실험은 열기관을 대상으로 한 것이 아니라, 추를 낙하시켜 물속의 날개바퀴를 회전시키는 실험이었다. 열의 양은 칼로리로 표시되는데, 그는 역학적 에너지인 일이 열로 바뀌는 과정의 정밀한 실험을 통해 1kcal의 열을 얻기 위해서 필요한 일의 양인 열의 일당량을 측정하였다. 줄은 이렇게 일과 열은 형태만 다를 뿐 서로 전환이 가능한 물리량이므로 등가성을 갖는다는 것을 입증하였으며, 열과 일이 상호 전환될 때 열과 일의 에너지를 합한 양은 일정하게 보존된다는 사실을 알아내었다. 이후 열과 일뿐만 아니라 화확 에너지, 전기 에너지 등이 등가성을 가지며 상호 전환될 떄에 에너지의 총량은 변하지 않는다는 에너지 보존 법칙이 입증되었다.

열과 일에 대한 이러한 이해는 카르노의 이론에 대한 과학자들의 재검토로 이어졌다. 특히 톰슨은 칼로릭 이론에 입각한 카르노의 열기관에 대한 설명이 줄의 에너지 보존 법칙에 위배된다고 지적하였다. 카르노의 이론에 의하면, 열기관은 높은 온도에서 흡수한 열 전부를 낮은 온도로 방출하면서 일을 한다. 이것은 줄이 입증한 열과 일의 등가성과 에너지 보존 법칙에 어긋나는 것이어서 열의 실체가 칼로릭이라는 생각은 더 이상 유지될 수 없게 되었다. 하지만 열효율에 관한 카르노의 이론은 클라우지우스의 증명으로 유지될 수 있었다. 그는 카르노의 이론이 유지되지 않는다면 열은 저온에서 고온으로 흐르는 현상이 생길 수도 있을 것이라는 가정에서 출발하여, 열기관의 열효율은 열기관이 고온에서 열을 흡수하고 저온에 방출할 때의 두 작동 온도에만 관계된다는 카르노의 이론을 증명하였다.

클라우지우스는 자연계에서는 열이 고온에서 저온으로만 흐르고 그와 반대되는 현상은 일어나지 않는 것과 같이 경험적으로 알 수 있는 방향성이 있다는 점에 주목하였다. 또한 일이 열로 전환될 때와는 달리, 열기관에서 열 전부를 일로 전환할 수 없다는, 즉 열효율이 100%가 될 수 없다는 상호 전환 방향에 대한 비대칭성이 있다는 사실에 주목하였다. 이러한 방향성과 비대칭성에 대한 논으는 이를 설명할 수 있는 새로운 물리량인 엔트로피의 개념을 낳았다.

1. 이 지문의 구조도를 그려 볼까?

먼저 이 지문을 읽고 구조도를 그린다고 생각해 봅시다. 1문단 마지막에서 "과학자들의 큰 관심사 중의 하나는 증기 기관과 같은 열기관의 열효율 문제였다." 라는 것이 언급되어 있습니다. 그에 관한 내용이 당연히 다음 문단들에서 언급이 되어 있겠죠?

2문단에서는 우선 열기관은 무엇이고, 열효율이 무엇인지 설명합니다. 그리고 그에 대한 "과학자들의 큰 관심사" 에 해당하는 "과학자" 인 카르노가 언급됩니다. 카르노는 열기관의 열효율 문제를 칼로릭 이론에 기반을 두고 다뤘다는 내용이 전개되는군요.

3문단에서는 '줄' 이라는 과학자의 열기관의 열효율 문제에 대한 생각이 쭉 설명되어 있습니다. (에너지 보존 법칙 관련해서) 4문단에서는 카르노의 열기관의 열효율 문제에 대한 생각에 비판하는 과학자 톰슨이 나왔구요, 그 뒤로부터는 클라우지우스의 기관의 열효율 문제에 대한 생각이 전개됩니다.

즉, 요약하자면 '열기관의 열효율 문제에 대한 각 과학자들의 생각' 이 이 지문의 구조이네요.

어려워 보이지만 1문단 마지막에서 글이 어떻게 전개될지 제시한 간단한 구조를 가진 지문이었습니다.

2. 비슷한 개념이 나오면 체크하자.

위 지문의 2문단에는 열효율이라는 개념이, 3문단에서는 열의 일당량이라는 개념이 제시되었습니다. 이 개념을 바로 알고 있어야 하는 게, 그래야만 33번 3점짜리 보기 문제를 제대로 풀 수가 있었습니다.

33번 문제를 보실까요?

33. 윗글을 바탕으로 할 때, 의 [가]에 들어갈 말로 가장 적절한 것은?

줄의 실험과 달리, 열기관이 흡수한 열의 양(A)과 열기관으로부터 얻어진 일의 양(B)을 측정하여 B/A로 열의 일당량을 구하면, 그 값은 [가] 라는 결과가 나올 것이다.

1. 열기관의 두 작동 온도의 차이가 일정하다면 줄이 구한 열의 일당량과 같다.

2. 열기관이 열을 흡수할 때의 온도와 상관없이 줄이 구한 열의 일당량과 같다.

3. 열기관이 흡수한 열의 양이 많을수룩 줄이 구한 열의 일당량보다 더 커진다.

4. 열기관의 두 작동 온도의 차이가 커질수록 줄이 구한 열의 일당량보다 더 커진다.

5. 열기관이 흡수한 열의 양과 두 작동 온도에 상관없이 줄이 구한 열의 일당량보다 작다.

에서 언급된 B/A 는 흡수한 열의 양 대비 열기관으로부터 얻어진 일의 양, 즉, 2문단에 언급된 '열효율' 의 값이었습니다. 이는 카르노가 언급된 2문단에서 제시되었네요. 그렇다면 열효율의 값으로 열의 일당량을 구한다? 이를 알기 위해서는 카르노를 쉴드(ㅋㅋ) 쳤던 클라우지우스가 나온 문단으로 가봐야 겠네요!

그런데 마지막 문단에서 클라우지우스는, '일이 열로 전환될 때와는 달리, 열기관에서 열 전부를 일로 전환할 수 없다는, 즉 열효율이 100%가 될 수 없다는~' 이라고 언급하였습니다.

반면, 열의 일당량이 언급된 3문단에서는, '일과 열은 서로 전환이 가능한 물리량이므로 등가성을 갖는다', '열과 일의 에너지를 합한 양은 일정하게 보존된다' 고 했네요.

그렇다면 답은 5번이 되겠네요!

이렇게 비슷한 개념이 나온다면, 각각의 특징과 정의를 체크해 두어야 합니다. 문제로 꼭 출제되기 때문이에요.

오늘 칼럼은 여기까지입니다!

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그럼 즐거운 주말 마무리 하세요!

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이코니미 · 876040 · 19/04/07 20:10 · MS 2019

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헤르미온느/ · 733803 · 19/04/07 20:11 · MS 2017

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나는지연 · 824578 · 19/04/08 01:08 · MS 2018

한글 파일로 정리해서 올려주시는게 더 좋을 것 같아용

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헤르미온느/ · 733803 · 19/04/08 12:12 · MS 2017

넵 그렇게 하겠습니다!

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