에너지에 대한 화학적 지식의 결정체 - 열역학
에너지에 대한 화학적 지식의 결정체 - 열역학
1600년대에 들어오면서, 연금술사들은, 특히 로버트 보일과 같은 신세대 연금술사들은, 과거 몇 백 년 동안 연금술사들이 그렇게도 찾아 헤매던 철학자의 돌이라는 것이 다름 아닌 화학적 지식이라는 것을 깨닫기 시작합니다. 그리고 연금술에 과학적 방법론이 접목이 되기 시작하죠. 그때부터, 과거의 연금술사들이 자기가 하는 실험 내용과 관찰 결과를 철저히 비밀에 부치고 자기만 앎으로써 단편적 조각 지식으로 여기저기 흩어져 있었던 지식들을 로열 소사이어티와 같은 서로 의견을 나누고 발표를 할 수 있는 장에서 다른 사람들과 공유를 하기 시작하죠. 과학적 방법론입니다.
과거부터 내려오던 연금술사의 연구 방식에 과학적 방법론이 접목되고 그때부터 연금술사들은 자신이 한 연구 내용을 다른 연금술사들과 적극적으로 공유를 하기 시작하죠. 이때부터 우리는 연금술을 연금술이라고 하지 않고 “화학”이라고 부르게 되고, 연금술사들을 “화학자”라고 부르게 됩니다. 이때부터 어떤 물질 A를 B로 바꿔주는 변질이라는 프로세스를 더 이상 변질이라고 부르지 않고 화학반응, 즉 케미컬 리액션이라 부르기 시작하죠. 그리고 이 화학반응을 가능하게 하기 위해서는 반드시 적용해줘야 되는 것이 있는데, 그것은 철학자의 돌이 아니었고, 바로 화학적 지식이었습니다.
과학적 방법론의 시작과 화학적 지식
이와 같은 생각은 1800년대가 되면서 굉장히 정확하게 자리를 잡게 됩니다. 그래서 이때부터 “어떤 물질 A를 어떤 물질 B로 바꿔주는 것은 화학반응을 통해서 이루어지며, 이 화학반응을 실현하기 위해서는 반드시 화학적 지식을 적용해야 된다. ”라는 프레임을 갖게 되죠. 그리고 1800년대가 되면서 우리 인류는 상당히 많은 양의 화학적 지식을 축적하게 됩니다. 특히 1600년대부터 1800년대까지 200년이라는 어찌 보면 짧은 기간 동안에 엄청나게 많은 화학적 지식이 공유되고, 발전되고, 축적되기 시작하죠. 그러다가 물질세계에 대한 화학적 지식, 특히 원자의 세계에 대한 화학적 지식이 주기율표라는 형태로 하나의 결정체를 만들게 됩니다. 우리 인류가 주기율표를 통해서 원자의 세계에 대한 눈을 뜨게 되는 것이죠. 그런데 눈에 보이고 손에 만져지는 물질과는 달리, 에너지는 그 실체가 제대로 손에 잡히지 않았습니다. 눈에 보이지도 않고, 손으로 잘 만져지지도 않고, 분명히 에너지라는 게 있긴 있고, 어떤 작용을 하고, 가열 과정을 거쳐서 어떻게든 화학반응에 참여를 하긴 하는데, 도대체 그 에너지가 어떤 식으로 작동되는지, 어떻게 영향을 주는지, 에너지 세상에서 일어나는 많은 일들의 이치에 대해서는 아직 이해를 하고 있지 못했죠. 1800년대 말이 되면서, 우여곡절 속에 이 에너지 세상에 대한 이치도 마침내 우리 인류가 깨닫게 되는데요. 약 100년 정도 걸립니다. 그런데 굉장히 흥미로운 것은 이 에너지에 대한 화학적 지식을 얻게 되는 그 계기를 바로 우리가 앞에서 다루었던 연금술사 로버트 보일이 제공하게 된다는 사실입니다. 로버트 보일의 또 다른 면을 보게 되는 것이죠. 보일은 일정한 양의 기체에 대한 압력과 부피를 측정해 보면, 그 일정한 양의 기체에 대한 압력과 부피가 반비례 관계를 갖는다는 소위 보일의 법칙을 발견하고 발표하게 됩니다. 보일이 이 법칙을 알아낼 때 실험기구를 사용하는데요. 그것은 실린더가 하나가 달린 공기펌프였습니다. 지금 보시는 이 그림에서 가장 왼쪽에 있는 공기펌프가 바로 보일이 사용했던 공기펌프인데요. 하나의 실린더가 있고 이 실린더에서 피스톤이 움직이면서 공기의 부피를 변화시키죠. 그러면 일정한 부피의 공기에 대하여 압력과 부피 사이에 어떤 상관관계가 있는지를 연구할 수 있었습니다. 그런데 보일이 나이가 들어서 은퇴를 하면서 더 이상은 이 공기펌프를 사용하지 않게 되었습니다. 그런데 보일의 밑에서 이 공기펌프를 사용해서 실험을 하면서 보일의 조수 역할을 했던 프란시스 헉스 비라는 연금술사가 있었는데, 그는 화학보다도 물리학에 훨씬 더 관심이 많았던 사람이었습니다. 이 헉스 비라는 조수가 보일이 은퇴하면서 남긴 공기펌프를 가져와서 자신이 그것을 가지고 더 연구를 하게 됩니다. 그 과정에서 자신의 독특한 아이디어를 적용해서 자신만의 디자인을 갖는 ”헉스 비의 공기펌프”로 개조를 하게 됩니다. 한 단계 더 발전시킨 것이죠. 이 헉스 비의 공기펌프는 두 개의 실린더를 가지고 있었습니다. 그래서 일단 작동을 시키면 이 두 개의 실린더가 작동을 하면서 공기 펌프의 가운데 설치해 놓은 레버를 아래위로 딸깍 딸깍 스스로 작동되게 하는 장치였습니다. 일종의 기계적 장치였던 것입니다.
증기기관의 개발 배경
1600년대 말에는 이와 같은 기계적 장치는 굉장히 놀라운 장치였습니다. 그 당시에는 기계라는 것이 많지 않았기 때문에 이렇게 두 개의 실린더를 가지고 자기 스스로 작동하는 기계는 일종의 굉장히 좋은 장난감 같은 것이었습니다. 그 당시에 로열 소사이어티의 활동이 다소 침체기에 들어가는데, 이 로열 소사이어티의 일원이었던 아이삭 뉴턴이 로열 소사이어티의 활동을 다시 활성화시키기 위해서 많은 노력을 했었습니다. 그래서 뉴턴은 보일의 조수였던 헉스 비를 자신의 조수로 영입을 하게 됩니다. 그리고 로열 소사이어티에서 모인 사람들 앞에서 헉스 비의 에어펌프를 시연하도록 하죠. 흥미로운 사실을 보여줌으로써 많은 사람들이 로열 소사이어티에 와서 지식을 공유하는 활동에 참여하도록 유도를 하게 됩니다. 그 와중에 이 헉스비의 공기펌프는 당대에 엄청난 인기를 얻게 됩니다. 돈 많은 사람들은 이 헉스 비의 펌프를 사서 집에 갖다 놓고 사람들한테 보여주는 것을 굉장히 즐겼다고 합니다. 당시 굉장히 많은 개수의 헉스 비의 공기펌프가 제작이 되었고, 날개 돋친 듯이 사람들에게 팔려나갔습니다. 헉스 비는 굉장히 뛰어난 연구가였던 것으로 보입니다. 실제로 1708년에 헉스 비는 자기 스스로가 샤를의 법칙을 발견합니다. 그리고 로열 소사이어티에서 이 샤를의 법칙을 발표를 하죠. 그런데 약 100년 후인 1802년에 게이뤼삭이 이 샤를의 법칙을 또한 발견을 했고 발표를 합니다. 그때 게이뤼삭은 이 법칙을 잭 찰스라는 프랑스 사람의 이름을 따서 샤를의 법칙이라고 발표를 했죠. 제가 짐작 건데 게이뤼삭은 자신이 그 법칙을 발견하기 100년 전에 헉스 비가 이미 샤를의 법칙을 발표했던 사실을 몰랐었나 봅니다. 사실 이 샤를의 법칙을 정확하게 명명을 한다면 헉스 비의 법칙이 되어야 하겠죠. 그런데 오늘날도 우리는 이것을 샤를의 법칙이라고 얘기를 하죠. 아무튼 보일은 은퇴를 했지만 그의 조수였던 헉스 비에 의해서 로열 소사이어티에서 계속 개조가 되면서 보일의 공기펌프는 그대로 살아남게 됩니다. 헉스 비의 두 개의 실린더를 가진 공기펌프는 굉장히 인기가 많아서 많은 사람들에게 팔려 나갔고, 그 많은 사람들 중에는 기계 공들도 있었습니다. 이렇게 팔려 나간 헉스 비의 공기펌프는 많은 사람들의 상상력을 자극했고 특히 기계 공들은 이렇게 스스로 작동하는 기계에 대해 크게 매료되었습니다. 그래서 많은 기계공들이 이 헉스 비의 공기펌프를 개조하게 되죠. 그래서 보일의 공기펌프가 헉스 비의 공기펌프로 넘어가고 이 헉스 비의 공기펌프는 많은 기계공들에 의해서 계속 개조작업을 거치다가 마침내 1776년에 영국의 제임스 와트라는 기계공에 의해서 증기기관으로 발전하게 됩니다. 중세 시대에 어떻게 됩니까? 굉장히 많은 숯을 소비하느라고 숲에 있는 아름드리나무를 다 잘라서 쓰게 되죠. 그래서 나무가 고갈되면서 영국 해안가에 있던 노천에 있는 석탄을 활용하게 되죠. 그런데 이 노천에 있던 석탄마저도 18세기가 되면서 고갈됩니다. 그래서 어떻게 합니까? 땅속에 있는 석탄 광맥을 찾아서 석탄광산 개발이 시작되죠. 그때가 바로 1700년대입니다. 그런데 이 광산 개발에 있어서 가장 큰 문제는 땅을 뚫고 들어가다가 지하 수맥을 건드리는 것이었습니다. 그래서 이 지하수맥에서 뿜어져 나오는 지하수로 인해서 석탄광산의 갱도가 전부 다 물에 잠겼죠. 그래서 끊임없이 갱도에 잠기는 물을 퍼내야 했습니다. 사실 사람만의 힘으로 하기에는 너무나 힘든 작업이었죠. 근데 마침 제임스 와트가 증기기관을 발명하게 되었고, 발명된 증기기관은 처음에 석탄광산에서 물을 퍼내는 배수펌프로 사용되기 시작합니다. 석탄광산에서 배수펌프로 사용되었던 이 증기기관이 작동하는 원리를 보면, 일단 석탄을 태워서 열을 발생시키죠. 그러면 석탄이 타면서 발생한 열이 증기기관을 작동시키고 증기기관의 작동을 통해서 열은 결국에는 기계적인 일로 변환이 됩니다. 그래서 증기기관이라는 것은, 다시 말해서 엔진이라는 것은 열을 일로 변환해주는 에너지 변환 장치였던 것입니다.
열이 일로 변화는 과정 연구 시작 - 열역학
이 증기기관이 열을, 즉 석탄에서 발생하는 열을 유용한 일, 즉 기계적인 일로 변환하는 메커니즘에 대해서 많은 사람들이 굉장히 깊은 궁금증을 가지게 되었고, 도대체 어떤 원리로 열이 일로 변환되는지를 알고 싶어 했습니다. 그래서 많은 물리학자들이 이 증기기관에 대해서 연구를 하기 시작합니다. 프랑스의 물리학자인 카르노, 독일의 물리학자인 클라우지우스, 영국의 물리학자인 줄, 영국의 물리학자인 켈빈이 그 대표적인 인물들입니다. 그래서 이들 물리학자들에 의해서 어떤 원리에 의해서 열이 일로 변환되는지를 연구하게 되죠. 결국 이들의 기여로 열역학이라는 새로운 이론이 등장하게 됩니다. 1600년대에 로버트 보일이 보일의 법칙을 밝혀내기 위해서 공기펌프를 사용했고, 이 공기펌프가 그의 조수였던 헉스비에 의해서 다시 더 발전된 공기펌프로 개조가 되었고, 이 개조된 공기펌프가 여러 사람의 기계공을 거치면서 결국에는 1700년대에 제임스 와트에 의해서 증기기관으로 발명이 됩니다. 그리고 이 증기기관이 어떤 원리에 의해서 작동되는지를 연구하는 과정에서 열역학이라는 새로운 이론이 등장을 하죠. 1800년대 말에 미국의 물리학자이자 화학자였던 깁스가 이 물리학계에서 발전시킨 열역학을 화학계로 다시 끌고 들어옵니다. 그래서 화학반응에 적용할 수 있는 새로운 형태의 학문인 “화학 열역학”을 만들어 내게 되죠. 그것을 우리는 케미컬 써모 다이내믹스라고 합니다. 마침내 화학자들이 에너지 세상도 들여다볼 수 있는 도구를 손에 넣게 되었던 것이죠. 1800년대에 들어오면서 화학반응을 가능하게 하기 위해서 화학자들은 화학적 지식을 적용해야만 했는데, 이 화학적 지식 중에서 물질의 세상에 대한 화학적 지식은 이미 주기율표로 집대성되어 있었습니다. 그런데 아직도 뒤처져 있던 에너지의 세상에 대한 화학적 지식이 마침내 1800년대 말에 소위 화학 열역학이라는 형태로 그 모습을 드러내게 된 것입니다. 1800년대 말이 되면서 인류는 그 오랜 기간 동안 연금술사들이 손에 넣고자 했던 철학자의 돌을 마침내 손에 넣었습니다. 그것은 바로 화학적 지식이었습니다. 물질에 대한 화학적 지식으로서는 원자 세계를 들여다볼 수 있게 해 준 주기율표였으며, 에너지에 대한 화학적 지식으로서는 에너지 세상을 들여다볼 수 있게 해 준 화학 열역학이었습니다. 이렇게 주기율표와 화학 열역학으로 무장한 화학자들은 마침내 1800년대 말 유럽 전역을 괴롭히고 있었던 극심한 물자 부족의 문제, 그리고 그와 같은 극심한 물자 부족을 야기한 근본적인 문제, 즉 모자라는 천연재료를 대신할 새로운 물질을 만들기 위해서 새로운 화학반응에 과감하게 도전하게 됩니다.
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