빛과 열역학1,2,3법칙 스터디

오늘은 FMkorea에서 음악이 시작되는군요.

 

넌 벽안의 벽돌일 뿐이야 ~~ 10곡 선정

https://www.fmkorea.com/1792451028

 

 

.‘빛’이란 도대체 무엇일까?
https://www.youtube.com/watch?v=EL76r52Gxcc
https://www.youtube.com/watch?v=1oikywv9ZRU&t=64s

거울 속에 있는 자신의 모습을 보자.
거울 속의 나도 나일까? 당연히 내가 아니다.

우리가 오른손을 올리면 거울 속 친구는 왼손을 올린다.
거울 속의 나는 내가 아니라 나의 빛이다. 빛이라는 허상이다. 
도대체 어떻게 거울 반대편에 나와 똑같이 생긴 빛이 있는 걸까?

당연히 알고 있다고 생각했는데 막상 답하기 곤란한 질문들이 있다.
그 중 하나가 ‘빛이란 무엇일까?’ 라는 질문이다.

도대체 빛은 물질일까?

우리가 주변에서 볼 수 있는 거의 모든 것은 물질이다. 
주위를 살펴보자. 물질이 아닌 것이 있을까? 
심지어 눈에 보이지 않는 공기도 물질이다. 

그렇다면 빛도 물질일까?
상식적으로 물질이라면 뭔가가 있어야 하는데 빛은 그 뭔가가 없다.
편의상 그 뭔가를 질량이라고 하자. 빛은 실제로도 질량이 없다.

질량이 없다면 아예 없는 게 아닐까? 
아예 없는 걸 우리는 어떻게 볼 수 있는 걸까?

빛이 어려우니 먼저 소리에 대해 생각해보자.
소리에는 질량이 있을까?
공기가 떠는 게 소리니까 소리는 곧 공기이고, 따라서 질량이 있다고 우길 수 있을까?

공기가 떠는 게 소리는 맞지만 그렇다고 소리가 공기는 아니다.
소리는 파동이다.
공기를 구성하는 분자들이 진동하면서 만들어내는 게 소리다.

파동은 질량은 없지만 엄연히 존재한다. 
질량이 없는데 어떻게 존재한다는 말일까?

존재한다는 것은 뭔가 영향을 미친다는 말이다.

영향을 미친다는 말은 과학적으로 에너지가 있다는 얘기다.

따라서 파동은 에너지로 존재한다. 
그리고 소리가 그렇듯 빛도 파동으로 존재한다.

빛이 뭐냐고? 빛은 ‘에너지를 실어 나르는 파동’이다. 
파동은 무언가가 진동하는 것이다.

소리는 공기가 떠는 것이고 파도는 물이 진동하는 것이고 지진은 땅이 흔들리는 것이다.
그렇다면 빛은 무엇이 진동하는 걸까?

빛은 빛 자체가 진동한다.
유식하게 말하자면 전기장과 자기장이 진동하면서 앞으로 나아간다.
전기가 자기를 진동시키고 자기가 전기를 진동시키고.
그래서 빛을 ‘전자기파’라고 부르기도 한다.

인간이 만들어 낸 언어 중에 ‘이게 바로 빛’이라 말할 수 있는 게 있다.

1861년 처음 우리에게 알려진 이것은

빛이 어떻게 생기는지 그리고 어떻게 움직이는지를 정확히 표현한다.

빛을 너무도 간단하고 아름답게 표현한다. 

맥스웰 방정식과 맥스웰

바로 맥스웰방정식이다.

영국의 과학자 맥스웰은 이 방정식으로부터

우리가 보통 ‘빛’이라 부르는 가시광선도 전자기파의 일종이라는 사실을 깨달았다.

그래서 우리는 이제 전파도, 적외선이나 자외선도, 가시광선과 X선도
모두 전자기파의 한 가족이라는 사실을 알고 있다. 

여기서 먼저 전자기파에 대해서 몇가지 알아야 겠다.

파동은 어떤 한 곳의 에너지가 흔들림을 통해 다른 곳으로 전달되어 나가는 것을 말한다. 간단히 '파'라고도 한다.  
https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=3537331&cid=60217&categoryId=60217

. 맥스웰 : https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1092148&ref=y&cid=40942&categoryId=34348
. 전기장 : https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1982010&cid=42331&categoryId=42334
. 자기장 : https://terms.naver.com/search.nhn?query=%EC%9E%90%EA%B8%B0%EC%9E%A5&searchType=&dicType=&subject=
. 파장 : https://terms.naver.com/search.nhn?query=%ED%8C%8C%EC%9E%A5&searchType=&dicType=&subject=

전자기파는 감마선, x선, 자외선, 가시광선, 적외선, 마이크로파, 라디오파 등으로 구분된다. 
통상 적외선 이상은 빛, 그 이하는 전파라고 한다. 
즉, 마이크로파는 빛 보다는 진동수가 낮고 파장이 긴 전파지만, 
전파 중에서는 진동수가 크고 파장이 짧은 편으로, 
레이더나 내비게이션, 통신 등에 이용된다.

. 전자기파 : https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1139734&ref=y&cid=40942&categoryId=32244

. 감마선 (파장이 가장 짧다)
https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1056460&cid=40942&categoryId=32246

. X선
https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1125658&cid=40942&categoryId=32247

. 자외선 (화학선)
https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1137712&cid=40942&categoryId=32238

. 가시광선
https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1054931&cid=40942&categoryId=32240

(빨강이 파장이 가장 길다) -

빨주노초파남보 무지개 빛깔

(보라가 파장이 가장 짧다)

빨강보다 파장이 긴 빛을 적외선, 보라보다 파장이 짧은 빛을 자외선

일곱 가지 색으로 나타나는 광을 모두 합치면 흰색으로 보이는데, 
이러한 이유 때문에 태양이 희게[白光] 보이는 것이다. 

태양광선 아래에서 하얀 색깔의 종이가 하얗게 보이는 이유는 
일곱 가지 색을 모두 반사하기 때문이고 
파란색의 종이가 파란 것은 가시광선 중에서 
파란색만을 반사하여 그 색깔만 눈에 감지되기 때문이다.


. 적외선 (열선) :

. 마이크로파(살균력이 강하다.)
https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1090874&cid=40942&categoryId=32240

 - 전자 레인지의 원리 :
https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=3570242&cid=58885&categoryId=58885
인공위성, 속도 측정기에도 마이크로파는 활용된다.


. 라디오파 (라디오, TV 방송, 통신)
https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1294339&cid=40942&categoryId=32385

다시 빛의 본론으로 돌아와서 빛은 어떻게 생길까?

빛은 파동이라고 했으니 뭔가를 흔들어야 생길 것 같다.

농담이지만 빛이 전자기파라 했으니까 전자를 흔들면 생길까?
빙고. 그 전자가 전자기파의 전자는 아니지만 어쨌든 답은 맞다.
(전자電子 ≠ 전자電磁기파)

보다 과학적으로 말하면 ‘전기를 띤 입자가 가속도 운동을 하면 빛이 생긴다’.

입자 속의 전자가 진동하면 전자기파가 발생하고
그 전자기파는 다른 쪽에 있는 전자를 움직인다.

공기의 진동이 여러분의 고막을 진동시키듯이 전자기파가 우리 망막의 전자를 진동시킨다.
빛의 전자기파가 우리 망막의 전자를 진동시키는 것을
우리는 빛이라고 지각한다.

그래서 전자는 빛을 춤추게 하고 빛은 다시 전자를 춤추게 한다.

자연은 정말 천재적이다. 

빛은 이처럼 전자라는 아주 작은 세계가 우리에게 보내는 미세 신호다.

우리가 경험하는 거의 모든 현상은 바로 그 미시 세계에서의 빛과 전자의 춤이다.

빛은 미시세계와 거시세계를 이어주는 정보의 메신저다. 


. 열역학 제1법칙 : 에너지란 무억인가?
https://www.youtube.com/watch?v=kbWLQdw5j7c

열은 일이 아니다. 열은 입자들의 운동이다.

하지만 외부와 에너지를 교환하는 방식이라는 점에서는 서로 동일하다.

열역학에서 '계' 란 우리가 관심이 있는 부분 또는 영역을 말한다.

이를테면 하나의 열기관도 계가 될 수 있고 , 우주 전체를 하나의 계로 생각할 수 있다.

'계'가 아닌 모든 부분을 '주위'라고 한다.

열기관의 경우 열기관을 제외한 우주 전체가 '주위'이다.

'계'에는 고립계, 닫힌계, 열린계 등이 있다.

고립계는 주위와 에너지 교환이 없는 계,(우주)
닫힌계는 에너지 교환(Only Energy)만 가능한 계,(핸드폰)
열린계는 물질과 에너지의 교환이 가능한 계를 말한다.(우리)

핸드폰은 주위와 에너지만 교환하고, 인간은 먹고 배설하니까 그렇다.

내부 에너지 라는 개념은 위치 에너지와 운동에너지 각각은
그 위치에 따라 계속 달라지지만 그 합은 일정하다.

이것을 역학적 에너지라고 하는데
어떤 계의 모든 내부 입자들의 운동에너지와 퍼텐셜 에너지의 합을 내부 에너지라고 부른다.

퍼텐셜 에너지란 분자들 사이의 역학적 에너지와 전기적 에너지 그리고
전자들이 다른 에너지 상태로 전이할 때의 에너지 변화 등이 포함된다.

당장 일과 열로 전환되진 않았지만, 그럴 가능성이 있는 에너지를 
통칭해서 우린 퍼텐셜 에너지라고 한다.

에너지 보존 법칙이란 것에 대해서 본격적으로 다룰 준비가 끝났다.

헬름홀츠는 1847년 <힘의 본존에 관하여> 논문에서 
힘을 효과를 일으키는 능력으로 정의하고
에너지 보전법칙에 해당하는 이론을 발표했다.

발표할 당시엔 힘과 에너지가 구분되진 않았다,

주울은 같은 시기에 일과 열이 서로 교환될 수 있다는 것을 증명해 냈고,.
톰슨과 클라우지우스는 '계'가 주위왜 에너지를 교환하는 서로 다른 방식임을 입증했다.

즉 에너지는 일이 아니면 열인 것이다.

우주의 에너지 변화는 제로이다.

일은 힘x거리
압력 P는 단위 면적당 힘이다.

따라서 어떤 계가 압력을 받아 한 일은 압력x단면적x거리

여기서 단면적x거리는 부피에 해당한다.

즉 일은 압력x부피를 말한다.

이 말은 우주의 에너지 총량은 일정하다.

클라우지우스는 이것을 '우주의 에너지는 상수다' 라고 정의했는데

이것이 바로 열역학 제1법칙, 에너지 보존 법칙이다.


. 열역학 제2법칙 - 엔트로피
https://www.youtube.com/watch?v=1_TYAqsU9NM

. 열역학 제3법칙 - 
절대영도에서의 엔트로피에 관한 법칙으로 네른스트의 열정리라고도 한다. 열역학과정에서의 엔트로피의 변화 ΔS는 절대온도 T가 0으로 접근할 때 일정한 값을 갖고, 그 계는 가장 낮은 상태의 에너지를 갖게 된다는 법칙이다. 이 법칙에 의하면 절대영도에서 열용량은 0이 된다.
네른스트의 열 정리 또는 네른스트-플랑크의 정리라고도 한다.

열역학 제3법칙을 간단하게 정리해서 말하면, 절대온도(T)가 0으로 접근(approach)할 때 계의 엔트로피(S)는 어떤 일정한 값(constant value)을 갖는다.