18, 제임스 프레스콧 줄 이야기 (3/7)

18, 제임스 프레스콧 줄 이야기 (3/7)

-열은 에너지의 일종이라는 것을 밝혔다.-

 

 

4, 에너지 보존 법칙의 발견

 

 

볼타 전지를 사용하면 줄의 법칙에 따른 열이 발생한다는 것이 명확해졌지만, 이 열이 어디에서 비롯된 것인지는 알려져 있지 않았다.

당시 열학에는 열이 물질이라고 여기는 칼로릭설(Caloric theory=열량 이론은 열이 뜨거운 물체에서 차가운 물체로 흐르는 열량이라는 자체 반발성 유체로 구성되어 있다는 구식 과학 이론)과, 운동이라고 여기는 열운동설이라는 두 가지 설이 있었다.

칼로릭설의 중심이 되는 열량 보존 법칙에 따르면, 열은 생성될 수 없기 때문에 발생한 열은 볼타 전지로부터 이동해 온 것이라고 생각되었다.

 

1843년, 줄(Joule)은 추의 힘을 이용하여 물속에서 코일을 회전시키는 실험을 했다. 코일을 회전시키면 유도 전류가 발생하고, 물의 온도가 상승한다. 이 경우에도 열량 보존 법칙에 따르면, 코일에서 열이 이동하기 때문에 코일 자체의 온도는 내려가야 한다. 한편, <열이 물질이 아니라 진동 상태로 간주된다면, 단순한 역학적 작용에 의해, 예를 들어 구리선으로 만든 코일을 영구 자석의 자극 앞에서 회전시키는 것과 같은 방법으로 열이 생성되지 않을 이유가 전혀 없어 보인다.> 줄은 코일을 포함한 전체의 온도 변화를 측정하여, 열이 코일에서 이동한 것인지, 아니면 새롭게 발생한 것인지를 확인하려고 했다.

 

실험 결과, 물의 온도 상승은 볼타 전지의 경우와 마찬가지로 줄의 법칙이 성립함을 확인할 수 있었다. 즉 코일의 온도 변화는 없었으며, 열이 발생한 것임이 확인되었다. 다만 이때 줄은 전자기 현상이 기계적인 힘을 열로 변환한다고 생각하고 있었다.

또한, 이 실험 장치로 줄은 얼마나 많은 작업량이 열로 변환되는지를 나타내는 수치, 즉 열의 작업 당량도 측정했다. 13회의 측정을 통해 587에서 1040까지의 값을 얻었으며,

평균적으로 𝐽=838 ft-lb J=838ft-lb이라는 결과를 도출했다. 이는 현재 단위로 환산하면 𝐽=4.51 [𝐽 ]J=4.51[J]에 해당한다.

기체 팽창 실험. 왼쪽에 공기를 넣고, 오른쪽은 진공 상태로 만든다. 가운데의 경계를 제거하면 공기가 팽창한다. 그러나, 기체는 일을 하지 않았기 때문에 온도는 변하지 않는다. 줄(Joule)은 그 한 달 후, 세관(細管)에서 물을 압출하면서 발생하는 열을 이용해 J=770ft-lb의 값을 얻었다. 게다가 이 실험에서는 전류를 사용하지 않았기 때문에, 자전자기(磁電磁気)는 개입하지 않았다. 따라서 줄은 자신의 생각을 약간 수정하여, 발생한 열은 기계적 힘 그 자체로 인해 발생한 것이라고 결론지었다.

이러한 결과는 왕립학회에서 발표되었지만, 평가받지 못했다. 이는 실험 데이터의 변동이 컸던 것과 더불어 줄이 아직 무명이었기 때문이었다.

 

줄은 그 후에도 열의 작업 당량의 측정을 계속했다. 1844년에는 기체를 팽창시키거나 압축함으로써 작업 당량을 구했다. 그리고 이 값은 작업이 열로 변할 때나, 반대로 열이 작업으로 변할 때에도 동일하다는 것을 증명했다. 당시에는 카르노나 클라페이론의 이론으로 <열이 고온에서 저온으로 이동할 때 작업이 발생하며, 그때 열의 소멸은 없다.>는 생각이 있었다. 그러나 줄은 <이 이론이 아무리 교묘하다 하더라도 공인된 학문의 원리에 반하는 것이라고 생각한다.>며 이를 부정하고, 열 자체가 작업으로 전환된다고 주장했다.

 

이와 더불어, 기체를 단순히 팽창시키는 것만으로는 기체의 온도가 변하지 않는다는 사실을 확인했는데, 이는 칼로릭 이론(Caloric theory)에서 믿어지던 <팽창의 잠열>(기체가 팽창할 때 열이 잠재화되어 온도가 내려간다는 생각)을 부정하는 것이었다. 이와 같이 줄은 자신의 이론을 확고히 다져나갔다.