에너지와 열역학

20층 옥상에 있는 공은 조금만 힘을 주어도 아래로 떨어집니다.

아래로 떨어지면 어떻게 될까요?

운 나쁘게 아래를 지나가다가 공에 맞으면 넘어져 아주 심하게 다칠 수도 있지요.

그리고 항아리 등은 박살이 날 수도 있습니다.

즉 20층 옥상에서 떨어진 공은 상당한 에너지를 가지고 있습니다.

이와 유사하게 높은 곳에서 아래로 떨어진 물 역시 큰 에너지를 가지고 있으므로 자기장에 있는 구리 도선을 회전시킬 수 있고 자기장에서의 힘 변화에 의한 전기가 만들어집니다.

자기장 벡터 × 힘 벡터 = 전기장 벡터

수력발전이 물의 낙차를 이용한 것입니다.

그러면 지면에 떨어져 몇 번 통통 튀다가 멈춘 공의 에너지는 어떻게 되었을까요?

열역학 제 1법칙에 의하면 에너지는 만들어지지도 사라지지도 않으니 이 경우에도 에너지는 보존되지요.

즉

20층 옥상에 있던 공의 위치에너지 = 충돌 시 지면이 받은 충격 에너지 + 공의 충격 에너지 + 소리 에너지 + 비록 느끼지 못할 정도로 작지만 발생하는 열에너지 + 주위에 있는 분자들의 진동에너지

다시 말하면 에너지 자체는 보존되지만 많은 분자들 사이로 분산되기 때문에 사용이 불가능해지는 것입니다.

여기에서 우리는 열역학 제 2법칙을 가지게 되지요.

‘에너지가 자발적으로 변화될 때 쓸모 있는 에너지는 크게 감소하여 더 이상은 사용할 수 없게 만든다!’

여기에서 유사한 표현 즉

‘열은 고열원에서 저 열원으로 흐르며 일부만 일로 변환될 수 있다!’

‘자발적인 과정에서는 엔트로피가 증가한다.’

이 나오는 것입니다.

자 여기서 상상해봅시다.

공이 가지고 있던 에너지가 주위로 흩어진다면 반대의 과정 즉 주위에 흩어져 있던 에너지가 공으로 모여 공이 옥상으로 올라가는 경우가 가능하지 않을까요?

물위에 떠 있는 배 주위의 물이 가지고 있는 에너지 일부를 모아 배로 보낸다면 배는 앞으로 움직이겠지요.

즉 주위에 있는 물의 온도를 약간 낮추어 얻은 에너지로 배를 움직일 수 있지 않을까요?

이렇게 되면 석탄 채굴, 석유 채취 등의 고된 작업도 필요 없게 되며 석탄, 석유 사용으로 인한 환경오염도 발생하지 않으니 그야말로 ‘누이 좋고 매부 좋고’ 가 가능하겠지요!

그러나 이런 일은 일어나지 않습니다.

더 엄밀하게 말하면 일어날 확률이 아주 작으므로 실제로 가능하지 않지요.

그러므로 길가다가 주위에서 에너지를 얻어 공중으로 뛰어오르는 즉 유명한 허경영이 할 수 있다고 주장하는 공중부양이 불가능합니다.

그렇지만 아직도 이런 변환 즉 열역학 제 2법칙에 위배되는 변환이 가능하다고 주장하는 사기꾼들과 이 사기꾼들에게 속아 넘어가 재산을 탕진하는 못난이들도 가끔 등장하여 웃음꺼리가 됩니다.

조그만 차분히 생각하면 그리고 부모, 자녀, 친척, 친구, 지인들의 충고를 귀담아 들으면 사기에 불과하다는 것을 알 수 있는데 일확천금의 꿈에 부풀어 눈에 콩까지가 들어가면 아무 것도 안 들리고 아무 것도 안 보이게 되는 것인가 봅니다.

한 가지 의문은 우주의 미래와 엔트로피입니다.

즉 엔트로피 증가가 우주가 팽창하는 현상과 관계가 있는가? 아니면 우주의 팽창 여부에 관계없이 엔트로피는 증가하는 것인가? 대한 의문이 생기는군요!

밤하늘이 어둡고 별들이 적색편이를 보이는 관측 결과에서 알 수 있듯이 지금은 우주가 팽창하고 있습니다.

그런데 계속해서 영원히 우주가 팽창하게 될지 아니면 언젠가는 우주가 수축하게 될지 지금으로서는 밝혀지지 않고 있지요.

만약에 우주가 수축하게 되면 어떻게 될까요?

밤하늘이 점점 밝아지게 되므로 잠을 자려면 안대를 하거나 두꺼운 커튼으로 빛을 차단하여야 하겠지요.

그리고 별들에서 청색변이가 관측됩니다.

그런데 우주가 수축하게 되면 혹시 엔트로피가 감소하는 방향으로 반응이 진행되는 것이 진실이 될까요?

즉 공중부양이 현실이 될까요?

이렇게 생각하다보니 머리가 어지러워 그만 두어야 하겠습니다.