절대 영도

 

 

고대 닝겐들은 불의 발견으로 기대 수명을 연장했고

 

 

현대에 들어선 지금도 불은 여전히 뗄레야 뗄수 없는 필수인 존재이다

 

 

이와 비슷하게 냉기 역시 닝겐의 기대 수명을 연장시키는데 일조했다

 

 

냉기를 이용한 보관방법은 음식의 보관 기간을 엄청나게 늘렸고

 

 

냉기를 이용한 시설 역시 여름을 보내는데 크게 도움을 주고있다

 

 

 

그 외에도 우주 산업, 의료 산업, IT 산업등 여러 군데에서 필수로 사용되고 있는 냉기!

 

 

지난 몇 세기간 닝겐들은 열은 올리려면 수 천도까지도 올라가는데

 

냉기는 아무리 내려도 쉽게 내려가지 않는 기이한 현상에 관심을 보였고

 

더욱 더 낮고 이론적으로 다다를 수 있는 온도인 절대영도에 다가가기 위해서 노력해왔다

 

 

 

 

 

17세기 영국

 

 

런던에 소빙기가 찾아왔다

 

 

이에 런던 시민들은 거의 처음 맛보는 추위에 공포를 느꼈으나

 

신의 분노, 자연이 주는 벌 정도로 생각했기에 아무것도 할 수가 없었다

 

그러기에 냉기는 함부로 건들지 말아야하는 것으로 인식되었다

 

 

 

 

처음으로 냉기에 도전한 사람은

 

코넬리우스 드레블였다

*연금술사

 

 

1620년 여름

 

"야 뭐 재밌는거 없냐?"

 

"제가 이 더운 공간을 겨울로 바꿔버리겠습니다!!"

 

"오오 한 번 해봐라 대신 안 바뀌기만 해봐라"

 

"이얍!!"

 

"우왓 씨발 존나 추워!!"

 

 

코넬리우스는 성공적으로 추위를 선보였으나

 

어떤 방법을 썼는지 기록하지 않았다

 

하지만 예상으로는

 

 

얼음과 소금을 섞은 병을 잔뜩 모아둔 다음

 

 

손풍기를 이용해 더운 바람을 병 위로 지나가게하여 차가운 공기로 바뀌게하는

 

 

이른바 최초로 에어컨 시스템을 이용했었을 것이라고 보고있다

 

 

 

 

 

 

 

코넬리우스에게 추위를 맛 본 제임스 1세

 

밑에 있던 프랜시스 베이컨이 냉기에 대해서 연구하기 시작했다

 

베이컨은 단순 자연의 힘으로만 치부하지 않았고 과학적으로 접근하여

 

새롭게 분석해 나아갔다

 

 

베이컨은 직접 실험하는 경우는 손에 꼽힐정도 였으나

 

한 번은 냉기관련 실험을 위해 직접 나섰다

 

잡은지 얼마 되지 않는 닭을 얼음과 눈으로 채우고

 

얼마나 신선하게 보관이 가능한지 실험해봤다

 

"아 씨발 춥네 이만큼 채웠으면 되려나"

 

 

 

"콜록..며칠이나 지났는데도 신선한..콜록..데?"

 

 

 

놀랍게도 신선도는 며칠동안 유지가 되었다!

 

 

하지만 이 실험에 온 힘을 쏟은 베이컨은

 

추위로 인해 폐렴에 걸렸고 결국 세상을 떠나고 말았다

 

 

 

이 결과로 인해 냉기가 가진 힘을 발견하였으나

 

도전한 대가는 어마어마하다는 것 또한 알게되었다

 

하지만 닝겐은 호기심을 가진 동물이었기에

 

냉기에 도전하는 사람들이 위험을 무릅쓰고 나타나기 시작했다

 

 

 

수 십년이 지나고 로버트 보일이라는 다른 도전자가 등장했다

 

 

 

"아빠 나 실험실 차려줘"

 

 

"차리거랏!!"

*아빠 리차드 보일

 

 

 

금수저의 아들이었던 로버트 보일은

 

값비싼 실험실을 차려 이것저것 냉기에 대해 직접 실험 할 수 있었다

 

 

"냉기란 무엇인가? 그것이 알고싶다!!"

 

 

"냉기는 물질에 의해 일어나는 현상이다! 우리 몸에 흡수되면 체온이 떨어지고 방출되면 체온이 올라간다! 그것도 모르냐!!"

 

"개소리 집어치워!!"

 

 

당시엔 추위는 다른 입자로부터 나온다는 게 정설이었으나

 

로버트는 이를 믿지 않았고 틀렸다는 걸 증명하기 위해 노력했다

 

 

"? 물이 어는데 부피는 왜 늘어나지? 부피가 늘어나면 무게도 늘어나나? 실험해봐야징!"

 

 

보일은 통에 물을 가득 채우고 무게를 잰 뒤 추운 밖에 하루종일 내놓고 얼렸다

 

 

 

 

그리고 다음 날 무게를 재어봤더니...

 

무게의 변화는 전혀없었다

 

 

 

그 말인즉, 당시 정론이었던 냉기=외부 물질이 아니라는 걸 의미하는 것이었다!!

 

 

 

 

이 사실을 알게된 보일은 예전에 해봤던 공기펌프실험을 떠올렸다

 

 

 

 

일전에 했던 실험으로 공기 입자는 스프링처럼 압축시키면 튀어오르는 탄성이 있다는 걸 알게된 보일은

 

 

 

열은 특정한 형태의 운동이라고 결론을 내렸었는데 

 

 

 

그렇다면 열의 반대는 냉기는 그의 반대이지 않을까하고 생각했고

 

 

 

실험 기록과 더불어 이를 책으로 집필하여 출판했다

*New Experiments and Observations upon Cold (1665)

 

 

 

 

 

 

 

 

보일의 노력에도 여전히 미지의 세계로 남아있던 냉기를 알아내기 위해선 온도계가 절실히 필요한 상황이었다

 

 

 

온도계는 17세기 중반부터 등장하기 시작했는데

 

 

수은이 아닌 알코올을 사용했기에 온도계의 길이가 어마어마하게 길었다

*수은보다 가볍기 때문에 높낮이 변화가 빨랐음

 

 

그런데 온도계의 길이보다 더 큰 문제가 있었는데

 

바로 온도 재는 기준이 통일되지 않았다는 점이었다

 

 

그 말인즉, 내가 가진 온도계와 네가 가진 온도계가 같은 온도에서도 전혀 다른 값이 나올 수 있다는 소리!

 

 

 

 

18세기 초, 저마다 기준이 제각각인 온도계를 쓰던 떄에

 

 

의료용 온도계를 제작하던 한 남자가 자체적으로 기준점을 정하고 쓰고있었다

 

 

얼음+물+소금을 이용해 아래 기준점인 0도를 잡고

 

 

얼음이 녹는 온도를 32도

 

 

사람의 체온인 96도를 위 기준점으로 잡았는데

 

 

그 남자는 다니엘 파렌하이트

*당시 기준 온도가 현재 쓰이는 기준 온도와 같음

 

 

당시 파렌하이트 온도계는 알코올이 아닌 수은을 사용해서 다른 온도계보다 훨씬 작았었고

 

 

정확함과 간편함을 가진 파렌하이트 온도계는 널리 쓰이게 되었다

 

 

그렇게 파렌하이트 온도계가 자주 쓰이고 있었는데

 

 

1742년 스웨덴 출신의 천문학자인 한 남자가 눈금을 100개로 나누어 온도 재는 법을 고안해냈다

*앤더스 셀시우스 (1701 ~ 1744)

 

 

현재와 다른 점은 당시에는 셀시우스는 온도를 거꾸로 쟀다는 점!

 

 

당시에는 물이 끓는 점을 0도로, 물이 어는 점을 100도로 정하고

 

뜨거워질수록 온도가 내려가는 형태였는데

 

 

이게 너무나도 불편했던 나머지

 

셀시우스가 사망한 다음 해인 1745년

 

식물학자였던 칼 린네가 반대로 바꿔놓으면서 현재 우리가 쓰고있는

 

 

어는 점 0도 끓는 점 100도인 온도 체계를 완성시켰다

 

 

 

 

 

 

 

 

온도 체계가 완성되었고 문득 떠오르는 한 가지 궁금점

 

"온도는 어디까지 내려갈 수 있을까?"

 

 

이 질문을 처음 던진 사람은 기욤 아몽통이었다

*프랑스 물리학자 (1663 ~ 1705)

 

 

당시 그는 온도와 부피의 관계에 대해 실험하고 있었는데

 

 

공기를 냉각시키면 압력이나 부피가 줄어든다는 사실을 발견했다!

 

 

"어? 이거 온도 계속 내리니까 압력이 줄어드네? 압력이 0될때까지 온도를 내리면 어떻게 되는거야?"

 

 

온도가 0, 압력도 0인 미지의 세계

 

 

아직까지 도달하지 못한 절대 영도의 개념이 역사상 처음으로 언급된 순간이었다

 

 

 

그리고 온도는 위로는 한계가 없는 반면 아래로는 한계가 존재한다는 걸 깨달았다

 

 

 

 

 

 

 

 

 

아몽통은 보일과 마찬가지로 열을 하나의 운동 형태로 보았고

 

 

열을 가하면 입자들이 점점 멀어지고, 냉기를 가하면 입자들이 점점 가까워진다고 믿었다

 

 

 

하지만 18세기 말, 새로운 이론이 등장하면서 이 이론은 입지를 잃기 시작했다

 

 

 

새롭게 등장한 이론, 칼로릭 이론

*열은 하나의 운동이 아니라 칼로릭이라는 질량이 0인 유체라는 이론

 

*앙투앙 라부아지에 (1743~1794) 화학자이면서 프랑스 대혁명의 원인 중 하나였던 사람

 

 

라부아지에가 강하게 밀어부쳤던 칼로릭 이론에 따르면, 열이란 건 분자가 단단히 결합되어있는 고체에

 

칼로릭이라는 유체가 스며들어서 분자의 결합을 무너뜨리는 것!

 

그리고 냉기는 단지 칼로릭의 부재를 의미하는 것이었다

 

 

 

라부아지에는 더 나아가 칼로릭의 양을 재는 칼로리미터라는 것까지 개발해냈다

 

 

칼로릭의 양을 재기위해서 라부아지에는 칼로리미터의 겉부분에 얼음을 채워넣고

 

 

안쪽에는 열을 내는 물질을 넣은뒤 시간이 지나 얼음이 녹아내리는 양을 모아서 칼로릭의 양을 계산해냈다

 

 

라부아지에는 칼로릭을 산소같이 하나의 원소로 정리했었고

 

 

의외로 이 칼로릭 이론은 질량이 없는 물질을 대입시켰기 때문에 반박하는게 굉장히 어려웠다

 

 

*위에 보일이 했던 실험을 예시로 들자면,

 

물을 가득 채우고 얼렸다

 

얼리기 전과 얼린 후의 무게가 같다

 

이는 칼로릭이 시간이 지나면서 빠져나갔기 때문이다

 

칼로릭은 질량이 없기 때문에 빠져나가도 무게에 영향을 주지 않는다

 

 

 

 

 

이렇게 의외로 반박하기 어려웠던 칼로릭 이론이 한창 지배하던 그떄

 

 

말도 안되는 칼로릭 이론을 개박살내겠다며 선전포고를 한 사람이 있었으니

 

벤자민 톰슨이었다

 

벤자민의 주 분야는 대포였는데

 

그는 대포의 포신을 뚫을 때 마찰에 의해 열이 나온다는 걸 이용해서 반박할 생각이었다

 

 

 

 

기본 세팅

 

포신의 한 쪽 부분을 특수한 공간에 걸쳐둔다

옆에서 본 세팅 모습

 

빈 공간에 물을 붓는다

 

포신을 돌린다

마찰에 의해 열이 생성된다

그리고 열에 의해 물이 뽀글뽀글!

 

 

마찰열을 이용해 물을 끓이는데 성공한 벤자민은

 

열은 하나의 운동 형태라는 걸 증명해 칼로릭의 이론을 꺾을 줄 알았으나

 

라부아지에의 명성과 대깨라들 덕분에 칼로릭 이론은 18세기 말까지 이어갔고

 

앞으로 승승장구할 것만 같았다

 

 

 

 

하지만 곧이어 터진 프랑스 대혁명

 

라부아지에는 단두대에 끌려가 형장의 이슬로 사라지고 말았다

*칼로릭 이론때문이 아니라 국세청 민영화에 앞장서서 그럼. 결국 돈이 최고

 

 

앙투앙이 처형되고 난 후 그의 아내였던 마리는

 

 

몇 년뒤 벤자민 톰슨과 재혼하게 된다

 

 

...?

 

 

아 이건 좀..

 

하지만 얼마 못가서 서로 이혼하게 된다

 

 

 

다시 과학에 몰두하게 된 벤자민은

 

영국 왕립 연구소를 건설하여 과학에 지원을 멈추지 않았고

 

영국은 엄청난 과학 발전을 맞이하게 된다

 

 

 

 

 

그리고 오랜 시간이 지나고 영국에서 증기기관 발견과 더불어 산업혁명이 일어났다

 

 

증기기관은 곧 유럽의 경제에 크게 자리잡았고

 

제한된 열 에너지의 효율이 높을수록 그만큼 이윤이 났기 때문에

 

많은 사람들은 더욱 효율적인 엔진을 개발하기 시작했다

 

효율 = 돈!!

 

 

*사디 카르노 (1796~1832)

 

사디 카르노는 프랑스 경제에 도움이 되고파 증기기관에 대해 공부를 하다

 

증기기관의 원리는 물레방아와 비슷하다는 걸 알게된다

 

 

*증기기관의 가장 기본적인 2개가 보일러와 콘덴서이다

보일러는 물을 끓여서 기체화시키고

콘덴서는 수증기를 식혀 액체화시킴

근데 내가 열역학 손 뗀지 몇 년이 지나서 100% 확신은 안 섬;

 

 

물레방아는 물의 순환으로 작동된다 = 증기기관은 열의 순환으로 작동된다

 

물이 높은 곳에서 떨어질수록 물레방아의 일(Work)이 높아진다 = 열이 높은 곳에서 떨어질수록 증기기관의 일이 높아진다

 

 

그렇다면 보일러와 콘덴서의 온도차가 클 수록 더욱 일이 커진다는 얘기!

 

 

그렇게 탄생한게 카르노 기관. 이론적으로 카르노 기관보다 더 높은 효율을 내는 증기기관은 존재할 수 없다

 

 

카르노는 이 생각을 책으로 옮겼으나 크게 주목받지 못했다

*Reflections on the Motive Power of Fire (1824)

 

 

 

*윌리엄 톰슨 (1824~1907)

온도 단위 "켈빈 (K)"의 창시자

 

소수였지만 훗날 카르노의 열의 움직임이 일을 만들어낸다는 아이디어에 크게 감명받고 집에 돌아온 윌리엄 톰슨은

 

다른 사람에게서 다른 이론을 듣게되는데

 

그 사람이 제임스 줄이었다

*(1818~1889) 열역학 단위 Joule이 이 사람한테서 따옴

 

 

줄은 카르노와 달리 열 그 차제가 일을 만드는게 아니라

 

열이 어떠한 것에 의하여 기계 일로 "변환"된다고 생각했다

 

 

그리고 그 어떠한 것은 우리가 아는 에너지였고 이 때운에 에너지의 단위는 줄이 되었다

 

 

 

 

카르노와 줄은 서로 다른 주장을 하고있었는데

 

양쪽의 의견을 들어본 윌리엄 톰슨은 그냥 간단하게 정리해버리고 만다

 

이를 열역학 정리라고 부른다

 

 

 

 

제 1법칙은 줄의 주장에서 나온 것으로

 

에너지는 사라지거나 만들어지지 않는다. 다만 다른 형태로 변할 뿐이다

*에너지 보존 법칙

 

 

 

 

제 2법칙은 카르노 주장에서 나온 것으로

 

열은 무조건 높은 온도에서 낮은 온도로 이동한다

 

 

 

 

이를 바탕으로 냉장고가 개발되고

 

훗날 에어컨의 개발이 되었다

 

이로서 인간은 냉기를 자유자재로 다루며 정복하게 되었다

 

 

 

하지만 아직 인간이 닿지 못한 곳이 있는데

 

 

그것은 절대 영도였다!!

 

 

2부계