최무영 교수의 물리학 강의 17강 발제

미르
2022-02-12 13:13
252

.

댓글 13
  • 2022-02-13 20:55

     "다소 전문적인 내용이므로 그냥 지나가도 됩니다"

    제가 맡은 부분에 대해 최무영교수의 멘트입니다. 앞서 2파트를 해보고 시간이 모자라면 제 파트는 읽지 말고 질문만 다뤄도 좋겠습니다. 

  • 2022-02-13 20:56

    댓글로 질문 올려주세요.

    댓글은 A4 파일로 올리시지 말고 그냥 직접 볼 수 있게 올려주시면 좋겠습니다~~

  • 2022-02-13 21:50

    18강 엔트로피 발제 올립니다.

  • 2022-02-14 00:52

    연료 태워서 연료에 저장된 화학에너지를 열의 형태로 바꾸고 결국 운동 에너지로 바꿔서 쓰는 장치인 열기관. (자동차) 이때 얼마만큼 운동에너지로 바꿔 이용하는지가 열효율이고, 높아봤자 30-40퍼센트 정도다. 반 이상은 버리는 셈인데 거기에 온갖 오염을 만들어낸다. 열기관의 효율이 이렇게 낮은 이유는 인간 기술 수준뿐 아니라 열역학 2법칙이라는 본질적 문제 때문이다. (432p)

    좀더 구체적으로 보자면, 

    - 제1법칙에 따라 에너지는 창조되거나 파괴되지 않고 단지 전환될 뿐이다. 열기관이 일을 하면서 만들어낸 열은 파괴된 것도 아니고 다른 장소로 옮겨진 것이거나 다른 형태의 에너지로 변화된 것이다. 휘발유의 에너지는, 엔진이 한 일 + 발생한 열 + 배기가스와 함께 나간 에너지의 합계이다. 일은 에너지의  상태를 바꿀 뿐, 에너지를 창조하지 못한다. 

    - 제2법칙에 따라 한 방향으로만(무질서로) 변화한다. 연료 태우기 전과 후의 에너지 총량은 같지만, 일부는 아황산가스와 기타 기체로 바뀌어 대기 중으로 흩어진다. 이 과정에서 사라진 에너지는 없지만, 다시 같을 일을 하게 할 수는 없다. 더이상 일로 전환될 수 없는 에너지, 즉 엔트로피가 증가했다. 유용한 에너지가 줄어드는 것이자 무용한 에너지가 증가한 것, 즉 오염 생긴다. 오염은 흩어진 형태의 에너지, 즉 엔트로피의 또다른 이름이 될 수 있다. 

    그런데 인간의 기술이 좋아지면 해결될 수 있을까? 기술이 복잡해지고 발달함에 따라 우리는 기술을 자연으로부터 독립된 것으로 인식하고, 마치 무에서 유를 창조하는 것처럼 생각하며, 어떤 특별한 과정을 통해 기존의 에너지원에서 뭔가를 더해 처음보다 더 많은 것을 얻어내는 것처럼 본다. 과연 그러할까?

    기술은 결코 에너지를 창조하지 않는다. 단지 기존의 유용한 에너지를 소비할 뿐이다. 기술의 규모가 크고 복잡할수록 에너지 소비량도 많아진다. 어떤 새로운 기술이라도 열역학 1법칙과 2법칙의 지배를 받는다. 기술은 에너지의 변환일 뿐. 그럼에도 우리는 기술이 우리를 환경에 대한 의존으로부터 해방시켜줄 것이라는 환상에 빠져 있지는 않은가? 기술이 복잡해질수록 자연의 에너지는 더 많이 필요하다. 엔트로피 법칙은 유용한 에너지가 소비될 때마다 주변환경 어딘가에 더 큰 무질서가 생겨남을 말해준다. 현대 산업사회에 흘러 들어가는 무지막지한 양의 에너지는 우리가 사는 세계에 엄청난 양의 무질서를 만들어낸다. 기술을 빨리 발달시킬수록 에너지 변환과정도 빨라지며 유용한 에너지가 빨리 분산될수록 무질서는 커진다. 

    • 2022-02-14 16:26

      이런 인식이(기술이 해결해줄거야...) 아마도 산업사회를 거치면서 기술사회로 가는 길목에서 생긴 우리의 호프가 아니었을까 싶네요. 

      그리고 말씀처럼 그렇게 희망적이지 않기 때문에 한 때 디스토피아를 그린 애니메이션(공각기동대 같은)이 인기를 끌었던 거구요. 

      하지만 이제 사람들은 더 이상 미래 사회를 두려워하지 않는 것 같아요. 어떻게든 살아지겠지.. 아니면 다른 방도가 생길 거야?? 뭐 이런 거겠죠. 

      나는 어떠한가를 생각해보면 금방 답이 나오는 거 같아요. 생각이 깊어질 수록 답이 안나오니까 회피하게 되고 귀찮고 그래서 편한 대로 사는 거죠. 

      걷는이님도 발제문 질문에 비슷한 얘기를 하셨던 데요. 진퇴양난이예요. 최교수는 채식을 하면 공장식 축산이 사라질 것 처럼 말하지만 한 겨울 딸기, 각종 채소들이 모두 화석연료나 전기에너지로 만들어진 것을 생각하면 그렇게 쉽지 않다고 생각해요. 제가 진퇴양난이라고 생각하는 점은 환경과 더불어 사는 방법으로 우리가 쉽게 채택하는 방식, 가령 쓰레기 분리수거... 쓰레기를 줄일 수 없다면 재활용이라도 하자는 취지잖아요. 그런데 이것이 더 쉽게 더 많은 쓰레기를 발생시키는 방식으로 우리 삶에 파고든다는 거죠. 내가 뭘 할 수 있을까... 

  • 2022-02-14 11:17

    열역학 제2법칙은 “온도가 높은 계에서 낮은 계로 열이 이동하면 전체 엔트로피가 증가한다”라고 한다.

    엔트로피는 접근가능상태의 수, 가능한 배열의 수와 같은 가짓수의 척도, 무질서의 척도, 균질성의 척도, 에너지 흩어짐의 척도, 불확정도의 척도 등등으로 정의된다.

    그렇다면 엔트로피가 증가한다는 말은 점점 가능한 상태의 수가 많은 쪽, 무질서한 쪽, 불확실한 것이 증가한다는 의미가 되는 것 같다.

    이것이 어떤 의미인지? 엔트로피의 개념이 잘 안잡히네요...

     

    열역학 제2법칙는 왜 과학계에서 이렇게 중요한 법칙이 된 걸까요?

    • 2022-02-14 15:26

      엔트로피가 증가한다는 말을 이렇게 다양한 방식으로 한꺼번에 보니까 저는 뭔가 더 정리가 되네요. 

      열역학 제2법칙이 중요한 이유는요. 먼저 제1법칙이 에너지보존법칙이라는 것을 기억할 필요가 있어요.(447p~) 

      에너지가보존된다는 것은 주변 환경에 어떤 영향도 받지 않는다는 전제인데요.

      과연 그럴까? 이런 의문이 생기기 시작해요. 특히 당시 석탄 같은 화석 연료를 이용해서 달리는 증기기관차 등이

      등장하면서 어떻게 하면 에너지 효율적으로 이 기관차를 운행할 수 있을까... 가 과학자들의 숙제였던 거죠. 

      어랏, 그런데 생각처럼 열효율이 100%가 아닌 거예요. 즉 에너지가 보존되지 않는다는 것을 발견한 거죠. 

      화석연료를 열에너지로 변환할 때, 열에너지를 전기에너지로 변환할 때 에너지가 보존되지 않는 것. 

      그러니까 제1법칙은 고립계(외떨어진 계) 즉 실험실에서나 가능하거나 상상에서나 가능한 셈이죠. 

      제2법칙에서는 엔트로피라는 변수를 고려하고 이것은 열이나 온도에 영향을 받는 거죠. 

      증기기관차가 달리기 위해서는 얼마나 많은 열 교환이 일어나야 하는가를 측정하려는 시도였다고.

      열역학 제2법칙이 중요한 이유?  제1법칙으로 설명할 수 없는 미시적 관점, 분자들의 운동 등을 설명할 수 있기 때문이 아닐까요?

      이 덕분에 고전역학이 깨지고 양자역학 등이 등장할 수 있던 거죠. 

  • 2022-02-14 11:23

    엔트로피 어려워요 ㅠㅠ 444쪽 내 방 청소, 내 공부가 전체 엔트로피를 증기시키는 이유는 무엇인가요? 곰곰님 질문처럼 유용한 내 힘의 에너지 사용으로 세상 어딘가에 무질서를 발생시킨 건가요? 그렇다면 인류의 수많은 활동으로 인한 무질서 생성이 어마무시 할텐데 그로인해 자연 같은 다른 물질들이 무질서를 경험하게 되는건가요? 그걸 훼손된다고 표현하는 걸까요? 아니면 우주는 굉장히 넓으니까 그런 무질서함이 계속 균형점을 이루어주는 걸까요?

    • 2022-02-14 17:46

      여기서 최교수가 말하는 엔트로피 증가는 우리가 정보를 얻은 만큼 엔트로피는 증가한다는 것.

      공부해서 얻은 정보만큼 지우개와 연필, 공책 등 공부하는 과정에서 엔트로피가 증가할 수밖에.

       

      그런데 잎사귀님의 질문은 우리 지구를 닫힌계로 보느냐 열린계로 보느냐의 차이도 발생시키는 것 같네요.

      445p에서 최무영 교수는 우리가 태양에너지를 모두 방출하기만 하는 것이 아니라 그것으로 일부는 생명을 키워내기 때문에

      엔트로피의 증가를 막을 수 있다고 했어요.  그는 지구는 열린계이고, 지구는 태양에너지에 열려 있다고 표현하고 있는데요.

      저는 다른 곳에서 닫힌계라고 봤거든요. 거기서는 고립계와 달리, 닫힌계는 물질은 이동이 불가하지만 에너지 이동은 가능하다... 

      그 근거로 최교수와 동일하게 태양에너지는 이동하지만 물질은 이동할 수 없으므로 닫힌계라고요.

      태양에너지는 들어오기도 하지만 지구밖으로 그만큼 나가니까 에너지 교환이 있는 것으로 보면 열린계,

      그럼에도 들고나는 것이 균형을 이루기 때문에 닫힌계???  라는 주장도 있어요.

       

      엔트로피가 증가한다, 감소한다 말하는 것은 어떤 평형상태를 기본 전제로 두는 거잖아요. 

      그러면 이미 그 전제는 닫힌계가 아닌가? 저는 그런 생각도 드네요. 

       

       

       

  • 2022-02-14 15:44

    미르님 발제문 내용 중에서 질문입니다. 

    통계역학

    동역학의 특성에 비추어 보면 못되집기는 모순이지만, 통계역학은 그것이 확률의 문제임을 밝혔다.

    => (421p) 우리몸 분자 하나하나는 시간되집기가 가능하지만 전체 계로 볼 때는 그렇지 못하다. 미시적 관점에서는 가역적이지만 거시적 관점에서는 비가역적이다. 통계역학에서는 이것이 확률의 문제임을 밝혔다? 이게 무슨 말인지 쉽게 설명해주세요?

     

  • 2022-02-14 15:52

    (...)이렇게 많은 자유도를 지닌 뭇알갱이계의 상태를 규정하려면 엄청난 양의 정보가 필요한데, 우리 두뇌는 물론이고 유한한 전체 우주에서 보더라도 이러한 엄청난 양의 정보처리는 근원적으로 불가능합니다.(415)

    도대체 어느정도의 양이기에 '근원적'으로 처리가 불가능한 것일까? 물론 당시에는 이런 종류의 정보량을 다루기가 불가능해서 통계역학을 고안해냈을 것이고 현재도 사실상 힘들겠지만, 그리고 생각해보면 '그냥 엄청나게 많아서 다루기가 불가능 정도이겠지'라고 생각할 수 있겠지만, 여기서 이 '근원적'인 '불가능성'은 여기서 나오는 이 숫자와 관련되어서 어떻게 설명될 수 있는 것일까? 다시말해서, 좀 더 구체적으로 이것이 불가능한 이유를 설명할 수 있다면 어떻게 말할 수 있을까?

    • 2022-02-14 17:52

      유한한 전체 우주? 최교수가 우주는 닫힌계로 보는 것 같네여. ㅎㅎ

      불가능한 이유라... 이건 저녁 밥 먹고 생각해봐야 겠네요. ㅎㅎ

  • 2022-02-14 16:57

    확률의 근거는 무언인가?

    엔트로피가 '높다' '낮다' 무엇을 근거로 높다, 낮다 라는 말을 썼는가?

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