열역학이란

열역학의 의미

열역학 Thermo dynamic 이란 무엇일까요? 우선, 단어 적 의미는 열 thermo 와 동력 dynamic이의 관계에서 발생하는 열을 이용하여 동력을 발생시키는 현상을 규명하는 학문으로 해석이 됩니다. 17세기 온도와 열의 개념이 정립된 17세기를 기원으로 할 수도 있지만, 열을 이용하여 동력을 얻는 기관의 발명과 더불어 구체적인 범주가 정립된 18세기가 열역학의 기원이라 할 수 있겠습니다. 당시에 동력기관(엔진 engine)을 이용하던 사람들의 주요 관심사는 동력기관에 일정량이 열을 가했을 때 얼마만큼의 일을 얻는가를 계산하는 것이었습니다. 즉, 열과 동력(일) 간의 양적 관계를 규명하고자 하는 시도가 열역학을 태동 시켰다 하겠습니다. 

 

열역학의 범주가 동력기관이 발명과 더불어 성립되었다고 한다면, 열역학의 성립은 공학 engineering의 태동과 그 시기를 같이 한다 할 수 있겠습니다. 이런 관점에서 열역학은 화학공학 뿐만 아니라 모든 공학의 범주 중 가장 역사가 깊은 분야이며, 18세기의 공학 engineering은 열역학 그 자체라고 해도 과언이 아닐 것입니다.

 

열역학의 개념을 태동 시킨 동력기관은 18세기 증기기관에서 시작하여 지금에 이르기까지 많은 변화를 거쳐왔고, 그 결과 증기 동력기관 외에 자동차용 가솔린 엔진, 디젤 엔진, 냉동용 히트펌프, 가스터빈, 로켓엔진 그리고 요즘에는 연료전지에 이르기까지 매우 다양한 엔진이 사용되고 있습니다. 이러한 기관들의 공통점은 에너지를 이용하여 동력을 얻거나 반대로 동력을 이용하여 에너지를 얻는 다는 것입니다. 연료전지도 마찬가지로 특정 물질을 사용해서 전기에너지를 얻는 기관으로 볼 수 있으며, 사용되는 물질의 물리적 에너지와 발생되는 전기로부터 얻는 동력 간의 관계가 규명되어야 합니다. 이러한 가관들을 제작하고 운전하기 위해서는 에너지와 동력과의 관계에 대한 정립이 필요한데 이것을 규명하는 학문이 열역학이라고 하겠습니다.

 

 

열역학을 조금 더 수월하게 배우려면

그렇다고 하여 열역학이 동력기관을 운전하는데 필요한 학문이므로 기계공학적의미가 있다고 생각하고 접근하면, 열역학적 개념과 이론들 예를 들면, 상평형과 같은 내용이 열역학을 나타내기에 부적절 하다고 생각하기 쉽습니다. 그 이유는 열역학 교재 내에서 열을 이용한 동력기관에 대해 직접적으로 언급되는 부분은 매우 작기 때문입니다. 역학이라는 단어가 주는 느낌이 다분히 동적이지만 한가지 명심해야 하는 것은 열역학thermodynamic이라는 단어를 이루는 열과 역학이 결국 에너지의 한 형태라는 것입니다. 그러므로 열역학은 에너지의 모든 형태를 총괄적으로 해석하고 그 상관관계를 정립하는 학문으로 인식하는 것이 열역학을 접근하는데 도움이 됩니다. 화학공학과에서 다루는 화공열역학도 마찬가지로 물질과 그 물질의 에너지를 다루는 학문으로 이해하면 좋습니다.

 

열역학에서 물질의 에너지를 다루기 위해서는 에너지에 대한 개념을 먼저 정립하는 것이 중요합니다. 에너지는 일반물리학에서 이야기하는 운동에너지, 위치에너지등 여러가지가 있지만, 열역학에서는 이러한 역학적 에너지 보다는 물질 자체가 보유하고 있는 에너지에 대해 다루게 되므로 열역학은 물질이 갖고 있는 에너지를 정의함으로써 시작됩니다. 에너지라는 개념이 인간에 의해 만들어진 것이라는 점에서 열역학의 개념을 더 잘 이해하기 위해서는 그 개념들이 고정불변의 단단한 개념으로 무조건 받아들여야한다라기 보다 직접 창조 또는 변형시켜 사용할 수 있는 일종의 도구라고 생각하는 것이 좋습니다. 능동적이고 주관적인 사고를 갖고 열역학을 접한다면 지금까지 보다 좀더 흥미롭게 배울 수 있을 것입니다.