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권우상 칼럼 = 쓰레기로 엔트로피 증가는 없어야 한다

 

 

 

 

 

칼럼

 

 

                쓰레기로 엔트로피 증가는 없어야 한다

 

 

                                                        권우상

                                         사주추명학자. 역사소설가

 

 

열역학 제1법칙인 에너지보존법칙은 우주의 에너지 총량은 우주에서의 시간의 시작으로부터 종말에 이르기까지 고정되어 있다는 것을 말한다. 일정량의 열을 일로 바꾼다고 해도 그때 열은 소멸된 것이 아니라 다른 장소로 이동하였거나 다른 형태의 에너지로 변환되었을 따름이다. 엔진의 경우, 소모된 휘발유의 화학에너지는 ‘가솔린 엔진이 일과 거기에서 발생된 열과 그리고 배기 가스의 에너지를 합한 것’과 같다. 열역학 제2법칙은 엔트로피 법칙(The Entropy Law)이다. 이 법칙은 더 이상 일로 바꿀 수 없는 에너지의 양에 대한 척도이다. 에너지가 어느 한 상태로부터 다른 상태로 변환될 때에는 반드시 모종의 불리한 상황이 부과된다는 것을 말한다. 엔트로피 증가는 사용 가능한 에너지의 감소를 뜻한다. 18C 과학자 ‘앙투안로랑 라부아지에’는 물질의 무게를 연구하였는데, 화학 반응이 일어난 후에 생성된 물질의 중량이 원래 성분들의 무게를 합한 것과 같다는 것을 그는 알게 되었다. 이것이 질량보전의 법칙이다. 예를 들면, 산소로 종이를 태우면, 그로 인해 생긴 재와 가스의 무게가 원래의 종이와 산소의 무게와 같다는 것이다.

 

그런데 관련 자료를 보면 1945년에 일본 히로시마 상공에서 원자 폭탄이 폭발하면서 ‘라부아지에’의 법칙에 결함이 있음이 드러났다. 우라늄의 임계 초과 질량이 폭발하는 동안 다른 종류의 물질들이 형성되는데, 그것들의 질량을 합해도 원 우라늄의 질량보다는 적다는 것이다. 질량에 손실이 발생한 이유는 우라늄의 질량 중 일부가 어마어마한 에너지의 폭발로 전환되기 때문이다. 1952년에 열핵 폭탄(수소폭탄)이 폭발하면서, ‘라부아지에’의 물질보존의 법칙에 또 다른 문제가 생겼다. 이번 폭발에서는, 수소 원자가 결합하여 헬륨이 되었다. 하지만 그렇게 생긴 헬륨의 질량은 원래의 수소의 질량보다 적었다. 수소의 질량의 일부가 폭발 에너지로 전환된 것이다. 일본 히로시마 상공에 투하된 원폭보다도 폭발의 규모가 훨씬 더 파괴적이었다. 이러한 폭발로 증명되었듯이, 적은 양의 물질이 막대한 양의 에너지를 발산할 수 있다. 물질과 에너지의 이러한 관계는 인간을 계속 살아 있게 해주고, 인간의 건강을 유지시켜 주는 태양의 힘에 대한 설명이 된다.

 

그렇다면 물질과 에너지는 어떤 관계일까? 1905년에 ‘아인슈타인’은 물질과 에너지의 관계를 예언하였다. 이 내용을 보면 그가 만든 방정식은 E=mc2이다. ‘아인슈타인’이 그 관계를 공식으로 나타내자, 다른 과학자들도 태양이 어떻게 수십억 년 동안 계속 빛을 발해 왔는지를 설명할 수 있게 되었다. 태양내에서 열핵 반응이 계속 일어나고 있는 것이다. 태양은 이러한 방법으로 매초, 약 5억 6400만 톤의 수소를 5억 6000만 톤의 헬륨으로 전환시키고 있는 것으로 알려져 있다. 이것은 약 400만 톤의 물질이 태양 에너지로 전환되고 있음을 의미하며, 그중 극히 일부만 지구에 도달해서 생명을 유지시켜 주고 있다. 중요한 사실은, 그러한 반응을 반대로 일으키는 것 역시 가능하다는 것이다. ‘원자보다 작은 입자가 고속으로 충돌하여 더 무거운 새로운 입자를 형성할 때 에너지는 물질로 변한다’고 월드북 백과사전은 설명한다.

 

과학자들은 입자가속기라는 거대한 기계를 사용하여, 제한된 규모로나마 이러한 일을 해낸다. 입자 가속기 내에서, 원자보다 작은 입자들이 엄청난 속도로 충돌하여 새로운 물질을 만들어 낸다고 한다. 에너지를 물질로 전환시키고 있는 것이다. 사막에서는 햇볕이 타는 듯이 작열한다. 반면에 지구의 다른 지역에서는 추운 겨울이 가고 나면 햇볕 덕분에 따뜻함을 느끼게 된다. 태양열은 기후와 계절에 영향을 주는 주된 요인 가운데 하나다. 지구 전역에서 계절이 나타나는 모습은 다채롭다. 우리는 봄에 나무들과 꽃들이 깨어나는 것을 보면서, 활기를 갖게 하는 그 계절의 신선함을 즐기며 가을에는 나뭇잎들이 색깔을 바꾸며 눈부시게 아름다운 모습을 연출하고 겨울에 눈 덮인 숲을 바라볼 때면 마음이 평온해짐을 느낀다. 계절이 생기는 이유는 지구의 기울기 때문이다. 에너지 고갈로 인류가 멸망할 것이라는 우려의 목소리에 열역학 제1법칙은 우리에게 위안을 주고 있다. 그러나 쓰레기량이 늘어나 엔트로피가 증가하는 일은 없어야 한다.

 




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