[re] 엔트로피 반론
- 글쓴이
- Simon
- 등록일
- 2002-08-23 06:09
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<열역학에 관한 그동안의 연구결과를 정리하였습니다. 열역학 제2법칙에 대한 새로운 접근은 인류를 에너지문제로부터 자유롭게 할 것입니다. 이 글을 보신 분의 의견과 충고 및 비평을 들을 수 있다면 행복하겠습니다.>
열역학 제2법칙의 열죽음(Heat-death)은 기우(杞憂)다
-열기관(엔진)의 제작원리에 있어서 단열열원의 이용에 대한
제한조건인 열역학 제2법칙은 종이호랑이에 불과하다-
(주)필택 발명실장 주 남 식
041-557-0020, 011-626-5660
jns007@freechal.com
1. 열죽음
19세기말경에 에너지비관론의 하나로 클라우지우스(R. J. E. Clausius)등이 발견하였다고 주장한 '열역학 제2법칙'에 기초한 '열죽음(Heatdeath)'이라는 우주의 종국상태에 대한 예측이 있었으며 열죽음에 대한 공포감은 지금도 열역학을 하는 많은 학자들의 마음속에 '실존하는 진리(?)'로 자리차지를 하고 있다. 열죽음이란 모든 고급에너지(역학적에너지, 화학적에너지 등)는 종국에는 열로 변환되고 이때 점점 더 많은 '엔트로피'가 생성되어 온 우주에 '열만 존재하게 되는 상태'를 말한다. 다시 말하면 시간의 흐름에 따라 우주에는 유용한 에너지가 감소하여 '쓸모 없는 열'이외에는 가용에너지가 없어진다는 논리가 열죽음의 논리이다.
열죽음 논리의 기초가 되는 법칙은 소위 '열역학 제2법칙(일반적으로 엔트로피의 법칙을 포함함)'인데 열역학 제2법칙은 이상기체(ideal gas)의 '가역 과정'을 '가장 좋은 열역학적 과정'으로 보고 자연에서 실존하는 법칙인 '비가역성(특히 단열변화의 비가역성)은 나쁜 것이다'라는 전제 위에 세워진 편견과 가정으로 가득 찬 법칙이다.
2. 열역학 제2법칙
일반적으로 열과 일의 관계 및 이들의 상호 변환(transfer)을 다루는 학문이 열역학(thermodynamics)이다. 열역학에서는 여러 가지 법칙이 등장하는데 가장 대표적인 법칙이 열역학 제1법칙과 열역학 제2법칙이다. 열역학 제1법칙은 '에너지의 총량(열에너지 + 역학적에너지)은 불변이라는 내용을 담고 있으며 이 법칙은 이론적으로나 실험적으로 논란의 여지가 거의 없는 상태이다.
그러나 열역학 제2법칙은 '경험법칙이라는 전제'와 '이상기체(ideal gas, 상변화가 일어나지 않으며 절대0도에서는 체적이 존재하지 않음)의 거동'을 토대로 성립된 법칙으로 수식을 사용하지 않고 문장에 의하여 '위압적이고 추상적으로' 표현하는 형식을 취하고 있다. 그 대표적인 표현들을 보면 다음과 같다.
「열은 그 자체만으로는 저온의 물체에서 고온의 물체로 이동할 수 없다」(클라우지우스 R.J.E. Clausius, 1850년)
「작동유체가 사이클에 의하여 연속적으로 일(W)을 하기 위해서는 고온의 물체와 그보다 저온인 물체를 필요로 한다.」(캘빈 L. Kelvin, W. Thomson, 1851년)
클라우지우스의 표현은 '온도가 높은 물체와 온도가 낮은 물체를 맞붙여 놓으면 항상 온도가 높은 물체에서 낮은 물체로 에너지가 이동해 가는 것'을 나타낸 것으로 자연스럽고 합리적이지만, 캘빈의 표현은 '장치의 여러 가지 구조 혹은 다양한 운전방법'이라는 '전혀 새로운 변수'에 대한 고려를 전혀 하지 않은 것으로 그 표현은 완전하지 못하며 열과 일의 특징을 제대로 파악하지 않은 상태에서의 표현일 뿐이다. 따라서 캘빈의 표현은 '하나의 열원으로부터 지속적으로 일을 얻어내는 것은 불가능하다'는 것을 충분히 증명하지 못한다.
열은 미시적으로 보면 일이다. 열은 물질의 분자운동상태의 표현방법 중의 하나일 뿐이다. 열에너지의 양을 표현하기 위한 척도 중의 하나인 '온도'라는 값이 '열 그 자체를 표현한 것'이 아니라 '특정 집단의 물질의 분자운동상태를 간접적으로 표현하는 수치'에 불과하다.
기체가 가진 열에너지를 일(운동에너지)로 바꾸는 열기관(엔진)에서 열이 일로 바뀌는 과정을 자세히 들여다본다면 '열이 일로 변환되었다'라고 하는 표현보다는 '여러 방향으로 움직이고 있던 기체분자들의 운동에너지가 하나의 방향으로 모아졌다'라고 하는 표현이 사실에 더욱 가깝다. 그리고 실존하는 기체분자들은 분자량, 온도, 압력 등에 따라서 분자운동속도가 천차만별이다. 이렇게 다양한 실존기체의 분자운동특성 및 에너지특성을 무시하고 실존하는 기체와는 너무도 먼 거리에 있는 이상기체(ideal gas)의 특성(매우 작위적인)에 기초하여 실존하는 형상보다는 계산의 편리성만을 추구한 열역학 제2법칙은 '지구는 둥글지 않다'라는 주장에 비교할 만큼 사실과는 먼 거리에 있는 학설이다.
따라서 열과 일의 구분 및 활용방법(엔진을 만드는 방법)은 열과 일의 근원적인 특성(실존하는 물질 분자의 거동의 관찰에 의한)을 고려하여 선택하여야 한다.
열역학 제2법칙의 핵심개념 중의 하나는 '엔트로피(entropy)'다. 엔트로피는 '무질서의 정도'를 나타내는 상태량인데 '컵의 물에 설탕의 결정이 한번 녹으면 저절로는 다시 결정으로 돌아갈 수 없다', '깨진 컵은 저절로는 결코 본래의 상태로 돌아가지 못한다', '탁자 위에서 식은 커피는 저절로는 다시 뜨거워질 수 없다', '사람이 한번 늙으면 다시 젊어지지 못한다'라는 자연법칙의 방향성을 나타낸 개념일 뿐이다. 엔트로피라는 개념은 열기관의 설계 및 그 한계에 깊이 개입할 아무런 이유도 없는 개념이다.
'물에 녹은 설탕이 저절로 결정으로 돌아가지 못하기 때문에 단일열원으로부터는 지속적으로 일을 얻는 열기관(엔진)을 만들 수 없다'는 말은 '지구중력은 항상 지구중심으로만 작용하기 때문에 차를 타고 언덕길을 올라가는 것은 불가능하다'는 말만큼이나 공허한 말이다.
캘빈의 표현인 '작동유체가 사이클에 의하여 연속적으로 일(W)을 하기 위해서는 고온의 물체와 그보다 저온인 물체를 필요로 한다'는 표현은 '지금까지 그런 엔진이 출현하지 않고 있는 것으로 보아 앞으로도 단일열원으로부터 지속적으로 일을 얻어내는 장치를 발명하는 것은 불가능하다'하는 궁색하고 무책임하며 불합리한 표현일 뿐이다.
어떤 일을 내가 해결하지 못하였다고 하여 합리적인 이유도 없이 '내가 이 일을 해결하지 못했으니까 어느 누구도 해결하지 못할 것이다'라고 단정짓는 것은 학문상의 중요한 걸림돌을 제공하는 것이다. 나의 경험이 일어날 수 있는 모든 경우의 수를 예외 없이 포함한 것이 아닐 경우에는 더욱 그러하다. 안될 것이라는 가정을 증명하여 공을 세우기 위해서 될 가능성을 원천적으로 없애는 것은 바람직하지도 자연스럽지도 못하다. 특히 스스로 층분한 정보와 분석으로 판단하지 않고 선배가 정립해 놓은 법칙을 아무런 비판없이 진실이라고 받아들이며 다른 사람에게도 강권하는 것은 진리를 규명하는 것이 사명인 과학자들이 할 일은 결코 아니다.
열역학 제2법칙은 단일열원으로부터 일을 얻어내는 열기관의 출현을 완전히는 막을 수는 없는 '종이호랑이'에 불과하다. 이미 종이호랑이를 무서워하지 않고 '단일열원 열기관의 이론을 정리한 후 실용적인 엔진을 설계하고 제작하는 일이 순조롭게 진행'되고 있기 때문이다.
열역학 제2법칙과 엔트로피이론의 토대는 '과거의 경험'과 '이상기체(ideal gas)의 가상적인 거동'이기 때문에 '새로운 현상의 발견'과 '실존하는 기체의 현실적인 거동'을 토대로 새롭게 구성되는 열기관의 출현에는 아무런 장애가 되지 못한다.
열기관의 원리 및 구성에서의 열역학 제2법칙의 유용성은 근본적으로 재평가되어야 한다.
열역학 제2법칙을 근거로 형성된 '열죽음 사태'는 기우에 불과하다. 이미 자연에는 엔트로피(무질서도)를 스스로 낮추어 가는 무수한 사례들이 발견되고 있으며 이는 보편적인 자연현상이다.
자연에서 엔트로피(무질서도)가 낮아지는 현상, 다시 말하면 자연적으로 질서도가 높아지는 현상(열에너지가 소위 고급에너지인 역학적 에너지로 스스로 변하는 현상)은 (1)태풍, 토네이도 등 기상현상, (2)광합성 등을 통한 식물의 성장 등의 생명현상, (3)질서를 창조해 나가는 인간의 의지 등으로 우주가 열죽음 상태로 가지 못하게 하고 있다.
'열에너지는 가장 질이 낮은 에너지다'라는 생각은 '단일열원으로부터 일을 지속적으로 얻어내는 열기관이 발견되기 전에만 통할 수 있었던 우려'일 뿐이다.
3. 열역학 제2법칙이 이룬 업적(?)들
1824년 카르노(Carnot)가 열유체이론(heat-fluid theory)에서 열이 일로 변할 때에 어떤 한계가 있음을 시사(열역학 제2법칙의 시사)하고 1865년 클라우지우스(Clausius)가 엔트로피(entropy)라는 말을 사용하면서 힘을 얻게 된 후 1877년 볼쯔만(Boltzmann)이 엔트로피를 확율로 설명하면서 확고한 지위를 확보한 '열역학 제2법칙'은 지금까지 '무소불위의 권력'을 남용해 왔다.
'열역학 제2법칙이라는 학문체계'는 '상투적이고 위압적이며 공포감을 주는 표현'을 무기로 지난 150여년 동안 새로운 열기관을 만들려는 많은 과학자들의 발상을 원천적으로 말살해 왔으며, '슈퍼컴퓨터를 이용한 거대한 시뮬레이션 시스템'과 이를 운영하는 '충실하고 무비판적이며 광신적인 인력집단'을 확보함으로써 새로운 아이디어를 가진 '개인'이 열역학 제2법칙의 효용가치에 대한 의문을 제기하는 것을 철저히 차단해 왔다.
뿐만 아니라 열역학 제2법칙에 대한 숭배가 지나쳐서 '단일열원열기관은 불가능하다는 가정을 옹호하기 위하여 목숨까지도 내놓는 이익집단'까지 출현하는 지경에 이른 것이 열역학 제2법칙이 이룬 폐단이다.(지금까지는 이 폐단이 쓸데없는 아이디어로 고생하는 사람이 생기지 않도록 하는 훌륭한 업적으로 평가되어 왔음)
열역학 제2법칙이라는 종이호랑이가 우리의 앞을 가로막고 있었기 때문에 인류는 에너지의 바다 속에 잠겨 있으면서도 에너지에 목말라해야만 하였다. 이제 열역학 제2법칙은 '물에 녹은 설탕의 결정이 저절로는 다시 결정으로 돌아갈 수 없다는 자연의 법칙을 설명하는 본래의 업무'로 돌아가야만 한다. 열역학에 관여하는 사람들은 열역학 제2법칙이 좋은 열기관(엔진)을 만들어 인류가 행복해지는 일을 다시는 방해하지 못하도록 경계하여야 한다.
4. 단일열원으로부터 지속적으로 일을 얻는 열기관(단일열원엔진)
열기관을 개발하는 현장에서 열역학 제2법칙이 한 걸음 물러나고 실존하는 기체의 관찰 및 실험을 통하여 알게된 성질을 토대로 한 실질적인 접근방법을 도입한다면, 인류는 전혀 새롭고 친환경적인 에너지원(대기중의 공기, 바닷물, 지열 등 자연에 널리 분포하는 열에너지)으로부터 필요한 에너지를 용이하게 얻을 수 있는 새로운 열기관을 머지않아 경험하게 될 것이다.
이상기체의 거동과는 달리 실존하는 기체(물질)의 단열변화과정에는 '비가역성이라는 매우 고맙고 유익한 성질'이 있다. 다시 말하면 실존하는 일정량의 기체(포화증기 상태이면 더욱 분명함)가 실린더 내에서 피스톤을 미는 일을 하면서 단열팽창하는 과정에서 그 기체의 일부가 액화되는데 이로 인하여 팽창과정에서 생산한 일(We, 기체의 잠열도 일로 바뀜)은 팽창 후에 기체와 액체를 분리하여 각각 팽창전의 압력까지 재압축 할 때 소비한 일(Wc)과 서로 같지 않은 특성(We≠Wc)이 '단열변화의 비가역성'이다. 이 비가역성은 팽창과 압축의 순서 및 속도 등에 따라 팽창일(We)이 클 수도 있고 압축일(Wc)이 클 수도 있다.
일반적으로 기체상태인 단일열원에 '일을 버리기' 위해서는 교반 등의 '단순마찰'이나 '기체를 흡입하여 고속으로 압축하면서 일(Wc)을 기체에 전달한 후 본래의 압력에 도달할 때 되돌아 나오는 일(We)이 최소화가 되도록 저속으로 팽창시킨 다음 에너지가 추가된 기체를 배기'하는 사이클(Wc>We)을 사용하면 된다.
그러나, 단일열원으로부터 일을 '얻어내기' 위해서는 해당 단일열원으로부터 에너지를 받아 그 온도에서 기화하여 상당한 포화증기압을 가지는 보일러속의 일정량의 기체를 실린더에 흡입한 후 '그 기체의 고유한 특성에 대응하는 속도(액화가 잘 되는 속도, 일반적으로 고속)로 팽창하면서 가능한 한 큰 일(We)을 얻고, 팽창한 후에는 가능한 한 저속으로 압축하여 작은 일(Wc)로 본래의 압력으로 되돌린 다음 보일러로 배출하는 사이클(We>Wc)을 사용해야만 한다.
실존하는 물질의 고유한 성질인 포화증기 팽창시의 상변화(액화)의 특성을 포함한 비가역성을 효과적으로 활용하면 자연에 존재하는 다양한 단일열원으로부터 일을 얻어내는 엔진을 만들 수 있다.
5. 공기엔진, 물엔진
단일열원 열기관중 그 열원이 대기중의 공기인 것이 공기엔진이며, 그 열원이 물인 것이 물엔진 이다. 공기는 우리가 상고 있는 곳이면 어디든지 항상 존재하기 때문에 공기엔진을 활용하면 에너지문제 및 에너지와 관련된 환경문제만큼은 확실히 해결할 수 있다. 따라서 후손들의 자산인 환경을 후손에게 온전히 물려줄 수 있다.
공기엔진으로부터 얻어진 에너지는 사용후에 결국에는 다시 열에너지로 바뀌어 대기중으로 되돌아가기 때문에 '공기에너지'는 완전한 의미에서의 '재생가능에너지'다.
공기엔진이 완전히 상용화되면 에너지를 얻기 위한 석유의 수입은 필요없게 될 것이며, 원자력도 에너지를 얻는 목적으로는 사용하지 않아도 된다.
공기엔진으로 자동차도 달리게 할 수 있고 항공기도 날게 할 수 있으며 전기를 일으켜 유용하게 사용할 수도 있다. 공기엔진은 작동온도가 종래의 엔진보다 매우 낮기 때문에 장기적으로 보면 싼값에 장치를 제작할 수 있다.
특히 에너지의 대부분을 수입에 의존하고 있는 우리 나라에서는 공기엔진의 상용화가 국민의 에너지비용의 부담을 획기적으로 줄여줄 것이다.
다른 사람들 의견
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소요유
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열역학에서 가장 중요한 가정이 '고립계'를 설정하는 문제입니다. 예를 들면 창조론자들이 창조가 신의 의지라는 것을 열역학 2법칙을 이용합니다. 즉 지구의 생명체의 진화는 열역학 제2법칙을 위반하는 방향으로 진행합니다. 즉 지구만 떼어놓고 보면 그렇게 볼 수도 있습니다. 또한가지 열역학 2법칙은 '시간의 비가역성'과 상관있는 법칙이라는 것이 현재 과학자들이 생각입니다. 그 시간이라는 것이ㅏ 결국의 우주의 운명과 관계 된다고 보는 것입니다.
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천칠이
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뭔가 이상하네요? 기존 열기관과는 다른 에너지 생성방식은 저도 찬성하는 방향입니다만, 물론 여러가지 방법이 있겠지만 단일열원으로부터 에너지를 얻는 방식의 하나로서의 상변화 이용 열기관 개념은 아직 익숙치 않군요. 어딘가 오류가 있을 것으로 생각되는데, 잘 아시는 분 반론이나 추가 설명 좀 부탁드렸으면
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chatnoir
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윗글 재미있게 읽었읍니다. 다만 일반적으로 기술되는 열역학 제2법칙의 논조와는 사뭇 다르다는 느낌이 드는군요. 게다가 고립계에서 spontaneous하게 엔트로피가 감소하는과정이 자연계에서 무수히, 또는 그렇지 않은 경우보다 더 많이 존재한다고는 생각지 않습니다. 광합성, 토네이도 등은 모두 태양으로부터 에너지를 유입받아 일어나는 현상이니 spontaneous하게 일어났다고 보기는 어려울것 같습니다. 즉 control volume을 전 우주(? 그게 얼마나 큰지는 저도 잘 모르겠군요)로 잡으면 spontaneous하게 엔트로피가 감소하는 과정이 일어날 확률은 매우 매우 매우 작다고 생각됩니다. 아뭏튼 상당히 재미있는 시각에서 쓴 글이라 생각됩니다.
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chatnoir
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개인적으로는 열역학 제2법칙이 종이호랑이라고는 생각지 않습니다.
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천칠이
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위에서 제시된 단일열원엔진의 문제점을 일단 떠오르는 것을 생각해보면, 1)단열장치를 개발할 수 있는가? 2) 빠른 속도로 팽창시키는 것은 기술적으로 유사한 단열과정을 만드는데 쓰이지만 이 경우는 오히려 일을 해야하는 경우. 그렇다면 자발적으로 빠른 속도로 팽창할 수 있도록 압력차를 만들어야 한다는 얘기인데 결국 이것도 일을 소모해야 하는 과정임. 3) 결국 단일열원엔진은 불가능?
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Simon
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킥킥...역시 대혼란이 일어났군요. 저도 답은 못찾았습니다. 다만, 텍스트를 조금만 벗어나 생각해보면, 세상은 넓고 생각할 것은 많다....가 제가 얻은 결론입니다.
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이공학
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움 소요유님 그럼 지구 생명체의 진화는 저급에너지에서 고급에너지로 변하는 현상이라고 볼수 있는 건가요? 맞다면 그 이유를 알려 주세요.. 궁금하네요.^^ 아직 엔트로피 개념을 잘 모릅니다. 그렇지만 창조론자들이 그것을 근거로 내세운다는 것이 솔깃 해 지네요.
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열방
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간단하게 시스템의 정의를 어떻게 하느냐가 중요하겠지요... 제가 종이호랑이에 너무 얽매여 있는지는 모르겠지만... 단일열원의 언급에서 분명히 외부에서 작용하는 에너지(아마도 이런 열기관은 주위의 엔트로피를 엄청 생성시킬 것입니다.)를 규정짓기 위한 계와 주위의 명확한 규정이 없군요.
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열방
()
요새 날도 더운데 에어컨 무진장 돌리시죠...? 덕분에 집안, 사무실은 시원하지만 대도시는 "열섬"현상이 심화되고 있죠...
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호섭이
()
진화론을 분자유전학적 차원에서 이해한다면, 진화는 결코 엔트로피 감소현상이 아닙니다. 보다 진보된 생명체로 진화 되기 위해서는 진보된 생명체보다 수 천배는 더 많은 퇴보된 개체를 만들게되고, 퇴보된 개체는 자손을 남기지 못하고 지구상에서 사라지는겁니다. 즉, 환경에 적응못하고 사라져간 개체를 고려할때 진화는 절대 엔트로피 감소현상이 아닙니다.
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호섭이
()
저도 과거에 수 년간 엔트로피 증가가 우리에게 어떤 영향을 미치는가에 돤한 문제에 매달렸으나 결론은 전체 계에서의 엔트로피 증가현상을 부정할 수는 없다는 것입니다. 간혹 미시적으로 바라보면 엔트로피 감소현상으로 오인될 현상이 있지만 다시 전체를 바라보면 절대로 그런 일은 없다는 것이 저의 결론입니다.
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신현철
()
복잡적응계에서는 진화과정이란 우연한 것이 필연으로 바뀌는 자기조직화라고 얘기하더군요. 쥐라기공원 2에 나오는 '혼돈의 가장자리'라는 말처럼..
