고전역학 주요 3대 법칙에 대하여 (feat. 자연의 섭리이다)

BGM : Audiomachine - The Truth(Tree of Life)

https://www.youtube.com/watch?v=AjZbD9GJNz4 

이번 포스팅은 고전역학에 대하여 필자의 주관을 가득 담은 내용이다. 이공계열을 전공하려는 많은 학생분들께 아주 작은 도움이 되기를 바란다. 필자는 이번 포스팅을 통하여 고전역학의 주요 3대 법칙에 대하여 알아보고자 한다. 바로 질량 보존의 법칙, 에너지 보존의 법칙 그리고 열역학 제2법칙 엔트로피이다. 최대한 어려운 용어는 배제하고자 한다.

 

PS. 이 포스팅에서 자연계라 함은 지구의 일반적인 자연 상태를 의미한다. 그리고 고전역학과 공학을 베이스로 설명하므로 거시적 관점으로 작성할 것이다. 이 점을 필히 인지하고 이 글을 읽어주시길 바란다. 

공학이란 무엇인가?

공학이란 자연의 섭리와 이치를 깨달아 이를 실생활에 유용하게 활용하는 학문을 말한다. 우리가 흔히 말하는 기계 장비들은 공학에서 출발하여 발전하여 왔다. 공학과 과학은 절대로 자연의 섭리를 벗어날 수 없다. 인간은 자연에 속해 있는 수많은 유기물 중에 하나일 뿐이기 때문이다. 주변에 가장 친숙한 기계가 무엇이 있을까? 아마도 자동차일 것이다. 내연기관 자동차는 석유(휘발유, 경유)와 공기의 혼합체를 고온·고압으로 압축하고 이를 폭발시켜 피스톤을 작동시켜 기계적 운동 에너지로 전환한다. 이 기계적 운동 에너지는 트랜스 미션(변속기)을 거쳐 적절한 회전 속도 혹은 토크를 부과하여 자동차를 작동시킨다. 이 모든 과정은 모두 자연 현상이다.

 

내연기관 자동차의 구조, 이미지 출처 : 키즈현대, https://kids.hyundai.com/kidshyundai/AutomobileManagement/learnauto/automobileDet.kids?ctgrMgrpCd=&cotnSn=3304

<참고 사이트 : 키즈현대, https://kids.hyundai.com/kidshyundai/AutomobileManagement/learnauto/automobileDet.kids?ctgrMgrpCd=&cotnSn=3304 >

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고전역학이란 무엇인가?

고전역학은 주로 뉴턴역학이라고 불린다. 물체에 작용하는 힘과 운동과의 관계를 정의한다. 고전역학은 크게 두 분야로 나뉘는데 하나는 정역학이다. 정역학은 움직이지 않는 물체에 대하여 힘의 균형 관계를 다루는 학문이다. 동역학은 움직이는 물체에 대하여 힘과 운동을 정의하는 학문이다. 그리고 특정 분야에 따라 나누어지는 4대 역학인 재료역학, 열역학, 유체역학, 동역학도 모두 고전역학에 포함된다.

 

고전역학은 지구에 존재하는 자연계(시스템)에서 통용되는 학문이다. 만약 우리가 우주에 살게 된다면 이 고전역학은 쓸모없어지게 된다. 또한, 고전역학은 아주 작은 단위의 물체에 대한 힘과 운동 관계를 정의할 수 없다. 예를 들어 나노 단위의 물체 그리고 마이크로 단위의 원자 등에 대한 힘과 운동 관계를 설명할 수 없다. 따라서, 우리는 특정 학문이 어떤 자연계에서 유용한 지 파악하여야 한다. 즉, 고전역학과 양자역학이 서로 맞고 틀림의 문제가 아니라는 것이다. 우리가 연구하고자 하는 자연계의 범주가 어떤 것이냐에 따라 고전역학을 적용하거나 양자역학을 적용하는 것 뿐이다.

 

PS. 그래서 고전역학은 거시적 관점이라고 표현하고 양자역학을 미시적 관점이라고 표현한다.

 

 

고전역학은 원자의 한 덩어리 즉 물체로 접근하고 양자역학은 원자와 원자의 구조로 접근한다. 즉, 자연현상을 파악함에 있어 도구와 접근 방법이 다른 것이다.

<참고 사이트 : 매일경제, [재미있는 과학] 고전-양자역학 접점 `중시계` 를 아시나요, 2012.11.21, https://www.mk.co.kr/news/economy/5350389 >

[재미있는 과학] 고전-양자역학 접점 `중시계` 를 아시나요 - 매일경제

고전역학 3대 주요 법칙

아마 이렇게 정의하는 학자가 있을는지는 모르겠다. 필자가 생각하기에 고전역학의 3대 주요 법칙은 첫 째, 질량 보존의 법칙 둘 째, 에너지 보존의 법칙 셋 째, 열역학 제2법칙 엔트로피이다. 이 세 법칙의 주요 내용을 잘 이해하고 있으면 공학이나 물리학을 공부하는 데 아주 유용하다고 필자는 주장한다.

 

1. 질량 보존의 법칙

질량 보존의 법칙(law of mass conservation)이란 자연계에서 특정 물체가 화학반응이 발생했을 때 화학반응이 발생하기 전과 발생한 후의 질량은 동일하다는 법칙이다. 특정 물체가 화학반응을 일으키게 되면 해당 물체의 형상 및 성질이 변화가 발생한다. 그러나 질량은 변하지 않는다. 

 

이는 고전역학에서도 마찬가지이다. 운동하는 물체의 질량은 변하지 않는다. 운동하는 물체가 충돌하여 소성변형이 발생하더라도 물체의 질량은 변하지 않는다. 그리고 소성변형이 발생한 해당 물체의 부피 역시 변하지 않는다. 단지 형상만 변경될 뿐이다. 운동하는 물체가 충돌하여 소성변형이 발생하게 되면 해당 물체는 점점 변형에 저항하는 형상으로 변화하며 이는 물체의 강성이 증가된다는 것을 의미한다.

 

그러나 물체가 소성변형할 때 물체의 강성이 무한대로 증가하는 것은 아니다. 특정 응력에 도달하게 되면 강성이 감소하게 된다. 이 응력을 우리는 인장강도(Tensile Strength)라고 부른다. 즉, 인장강도는 소성에서 파괴로 변하는 기점이며 물체 혹은 소재가 저항할 수 있는 응력의 최대점이다. 그래서 우리는 재료역학에서 배우는 응력-변형률 선도를 토대로 소재가 힘을 부과받을 때 변형되는 구간과 영역을 통하여 다음과 같이 역학의 범주를 나눌 수 있다.

 

이러한 영역의 변화가 발생하더라도 질량 자체는 변하지 않는다. 

 

응력-변형률 선도와 적용 역학의 범주, 선도의 출처 : 백태현 교수님 2011년도 국립군산대학교 교육자료, 역학의 범주 표기는 필자가 하였다.

2. 에너지 보존 법칙

에너지 보존 법칙(law of energy conservation)은 에너지가 물체에서 다른 물체로 이동하거나 물체의 에너지가 다른 종류의 에너지로 변환될 때 에너지 전체 총량은 변화하지 않는다는 것을 의미한다. 이 에너지 보존 법칙을 통하여 우리는 다양한 자연계에서 발생하는 에너지의 변환과 에너지의 이동 경로 등을 분석할 수 있다.

 

필자는 이전 포스팅을 통하여 인도 철도차량의 탈선과 충돌사고에 관하여 글을 작성한 적이 있다. 그때 잠시 설명하였던 운동에너지와 소성변형에너지의 관계식 역시 에너지 보존 법칙을 근거로 하여 만들어진 식이다.

 

그런데 열역학 관점에서 에너지 보존 법칙을 바라보게 되면 말이 안 되는 현상이 발생한다. 에너지가 변환 과정을 거치면 사용 가능한 에너지 총량이 변환 이전의 에너지 총량보다 적어지기 때문이다. 이 현상을 설명하는 법칙이 바로 열역학 제2법칙 엔트로피이다.

3. 열역학 제 2법칙 엔트로피

에너지가 변환 과정을 거치면 사용 가능한 에너지가 점차 줄어든다. 따라서 우리는 에너지의 변환 과정을 최대한 없애야 한다. 그래야 그나마 우리가 사용 가능한 에너지를 많이 확보할 수 있기 때문이다. 화력 발전을 예로 들어 보겠다.

 

화력 발전을 하기 위해서는 석유, 석탄 혹은 천연가스가 필요하다. 이들이 가지고 있는 열 에너지는 정해져 있다. 화력 발전은 석유, 석탄 및 천연가스가 가지고 있는 열 에너지로 가스 터빈을 돌려 전기 에너지로 변환하는 과정을 거친다. 즉 열 에너지가 기계적 운동 에너지로 변환했다가 이 기계적 운동 에너지가 가스 터빈을 돌리면 전기 에너지가 되는 것이다. 우리가 전기 에너지를 획득하기 위하여 열 에너지를 두 번 변환시켜야 한다. 이 공정에서 절대 사용 가능한 열 에너지 총량 ≠ 사용 가능한 전기 에너지 총량이 될 수 없다. 그 이유가 바로 엔트로피 때문이다.

 

에너지 변환 공정이 일어나면 두 가지 에너지로 나뉜다. 사용 가능한 에너지와 사용이 불가능한 에너지이다. 우리는 사용 가능한 에너지를 엔탈피(Enthalpy)라고 부르고 사용이 불가능한 에너지를 엔트로피(Entropy)라고 부른다. 에너지를 변환하면 할수록 엔트로피는 증가하고 엔탈피는 감소한다. 그리고 엔탈피와 엔트로피의 합은 변환되지 않은 원 에너지의 총합과 같다. 따라서 에너지 보존 법칙과 열역학 제2법칙 엔트로피는 자연계에서 항상 참이 되는 것이다.

 

아마 열역학을 처음 접하는 공학도들은 이 엔트로피의 개념이 나타나면 초반에 멘붕 상태가 된다. 이 엔트로피를 설명하기 위하여 온갖 예시가 난무한다. 그러나 간단히 정리하면 엔트로피는 비가역성(Irreversible)을 가지고 있다. 즉, 다시 원래대로 돌아갈 수 없다.

 

예를 들어 필자가 맛있게 점심식사를 먹었다고 가정해 보자. 이 점심식사는 필자의 오장육부에서 소화될 것이며 이 에너지는 필자의 신체를 유지하는 데 쓰일 것이다. 그리고 남은 찌꺼기는 배설하게 될 것이다. 이 것이 인간의 신체가 음식을 소화하는 매커니즘이다. 그러나 이를 역으로 돌릴 수 있는가? 필자가 먹었던 점심식사를 소화하지 않고 그 음식을 그대로 뱉어낼 수 없기 때문이다.

 

<참고 사이트 : 위키피디아, 열역학 제 2법칙, https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%97%B4%EC%97%AD%ED%95%99_%EC%A0%9C2%EB%B2%95%EC%B9%99 >

열역학 제2법칙 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

글을 마치며

이 관점에서 보면 수소 연료전지 자동차는 일론 머스크의 말대로 어리석은 행위일 수 있다. 아무리 수전해가 자연 친화적이라고는 하지만 전기를 이용하여 수소와 산소를 분리시키는 과정 역시 에너지의 변환 과정이며 이는 엔트로피가 증가하므로 전기를 전기 그대로 보관하는 것보다 사용 가능한 엔탈피의 양이 줄어들기 때문이다. 그럼에도 왜 수많은 과학자와 공학자는 왜 수소를 고압으로 압축하여 전기에너지를 저장하는 방법을 연구하는가? 그리고 4차 산업 혁명에서 왜 전고체 배터리를 중요하게 생각하는가? 이는 전기에너지를 저장하고 관리하는 데 문제를 겪기 때문이다. 아래의 포스팅을 참고하기 바란다. 전기를 초과하여 생산할 수 없는 문제를 해결하고자 하는 것이 바로 전고체 배터리와 수소 액화 저장 방식인 것이다.

 

https://gbcbaby.tistory.com/20

전기차와 수소차 차이는 전기에너지 저장 방식이다.

우리는 공학과 고전역학 그리고 주요 3대 법칙인 질량 보존의 법칙, 에너지 보존의 법칙 그리고 열역학 제2법칙 엔트로피에 대하여 알아보았다. 수식 등은 최대한 배제하고 원리를 알기 쉽도록 설명하기 위하여 노력하였다. 그러나 이 의도가 이 글에 잘 반영되었는지는 잘 모르겠다. 우리가 공학을 공부하는 이유는 자연의 원리와 이치를 깨달아 이를 실생활에 유용하게 활용할 수 있는 기계 장비를 설계하는 것이다. 인류는 공학을 통하여 다양한 기계 장비를 설계하였으며 이 기계들은 사회와 국가를 번영하게 만들었다. 그리고 공학은 현재 최첨단 기술이라고 불리는 반도체 생산과 AI 그리고 4차 산업혁명에 기초 학문이다.

 

그럼에도 불구하고 대한민국에서 이공계열을 진학하는 비율이 점차 줄어들고 있으며 이공계열에서 뛰어난 학생들이 의대만을 진학한다고 하니....... 필자는 정말 안타깝다. 이공계열을 기피하고 대우하지 않는 사회 분위기는 예전 조선시대 때나 지금이나 변함이 없다. 이 상태가 지속된다면 기술 강국이라는 대한민국의 타이틀은 곧 다른 국가에게 빼앗길 것은 명약관화이다.