열역학 제2법칙과 인간 생활
열역학 제2법칙과 인간 생활
  • 에너지일보
  • 승인 2007.01.22 13:00
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한국에너지기술연구원 에너지전환연구부 부장 김재호

이세상에서 발생되는 일중에서 자발적으로 이루어지는 것은 어떠한 것들이 있을까? 자발적으로라는 의미는 무엇일까? 그것은 아마 인간의 의지와 달리 창조주께서 세상을 창조하셨을 때 짜 놓으셨던 방향으로 흘러가는 것을 뜻하는 것이 아닐까? 의지와 관계없이 자발적으로 일어나는 일은 본능적으로 일어나는 모든일이 아닐까 생각한다. 우리의 섹스 행위는 종족을 보존하기 위한 본능적인 행위이며, 피조물의 보존을 위해 창조주께서 내리 사랑(아버지가 아들을 사랑하는 것)의 본능이 주셨다. 모든 피조물에게 본능이라는 특성을 주심으로서 창조주의 설계대로 움직이게 된다. 우리의 대단한 발견중 만유인력 법칙, 쿨롱의 법칙, 자기장의 법칙등은 창조주께서 부여한 물질사이의 본능이라할 수 있다. 물질과 물질은 서로 잡아당기려는 힘, 전기의 서로 다른 극에서는 인력이 작용하고 같은 극끼리는 척력, 자기장도 마찬가지 역할을 하고 있음을 우리는 알고 있다. 그렇다면 에너지 관련하여 본능적인 현상은 무엇일까? 그것은 아마 열역학 제2법칙일 것이다. 에너지라는 물리량의 발견은 인간이 한단계 도약하는 계기가 되었는데, 열과 일의 개념을 통해 에너지 보존 법칙의 발견 및 열의 일당량의 개념은 증기기관과 내연기관의 발명을 유도하였으며, 열의 일당량은 효율이라는 개념과 열역학 제2법칙의 개념이 나타나게 되었다. 이법칙은 에너지의 흐름 방향을 이론적으로 설명해주는 법칙으로, 이때 사용되는 물리량이 엔트로피(entropy:무질서의 양)이다. 가령 우리가 10℃ 물과 50℃물을 혼합하였을 경우 30℃의 물로는 될 수 있지만  5℃물과 55℃의 물로는 될 수 없다는 것을 이론적으로 설명하는 법칙이다. 이는 모든 물질은 질서에서 무질서의 형태로 변해간다는 것이다. 공중에 퍼진 연기 기둥이 주위로 퍼지고, 물에 떨어진 잉크 방울이 희석되며, 큰 바위가 풍화를 거쳐 가는 모래로 변해가는 것들이 그것이다. 어쩌면 세상은 그 속성상 서서히 무질서의 상태로 변해가고 있는지도 모른다. 이 의미는 다른 말로 표현하면, 아무리 잘 정리했다하여도 그 이면에는 정리 정돈을 위해 무질서하게 된 부분이 존재하며, 전체적으로 보면 무질서 정도가 더 증가한다는 이론이다.

 

또한 열역학 제2법칙은 인간이 사용 가능한 에너지는 엔트로피의 증가에 따라 점차 줄어든다는 이론이다.

이 이론은 자발적인 변화의 방향을 가르쳐주는 것으로 에너지는 일정하지만 변화는 계속되기 때문에 결국은 엔트로피가 더 이상 증가할 수 없는 극도의 혼란한 상황에 이르게 된다는 것이다. 그렇게 되면 더 이상의 자발적인 변화는 불가능하며, 변화가 없는 평형 상태에 도달하게된다. 평형 상태는 아무런 변화가 없는 죽음의 상태를 뜻한다. 우주의 에너지가 평형에 이른다는 의미는 우주의 종말을 뜻하게된다.


자발적인 변화는 엔트로피를 증가시키지만, 비자발적인 변화의 경우 엔트로피를 부분적으로는 감소시킬 수 있다. 그렇지만 전체적인 면으로 볼 때, 엔트로피의 증가 현상은 불가피하다. 따라서 비자발적인 변화를 요구할 경우 그 이면에는 반드시 그것보다 더 큰 자발적인 변화가 수반된다. 예를 들어 물을 낮은 곳에서 높은 곳으로 올리려면, 펌프를 이용하게되는데, 펌프의 사용된 엔트로피 증가분과 물의 위치에너지의 변화에 따른 엔트로피의 감소분을  비교해보면 전체적으로 엔트로피가 증가된다.


우리가 이용하고 생산하고 있는 것들이 엔트로피를 감소시키는 것들이라고 생각하지만 이들을 생산하기 위해 많은 엔트로피 증가의 부작용이 있었을 것으로 판단된다. 평범한 진리인 이세상에는 공짜가 없다. 이말에는 부작용의 의미도 함축되어 있다.


이 이론을 에너지 사용쪽에 적용해보면, 에너지를 많이 유용하게 사용할수록 생활은 윤택해지는 반면에, 이에 대한 부작용인 환경오염은 더욱더 증가하게 되며, 이로 인한 생태계 파괴는 복구에 그 이상의 에너지를 요구한다. 인간은 보다 풍요로운 삶을 영위하기 위하여 자연 환경을 변화시켜 왔지만, 지구의 자정 능력에 의해 환경오염의 정도는 미미했다. 그러나 최근 급격한 인구 증가는 에너지의 무분별한 사용을  야기하여 갖가지 오염 물질이 과다하게 배출되었고, 그 결과로 지구의 자체의 자정 능력의 한계에 도달하게 되어, 생태계의 변화는 물론 인간을 포함한 생물 전체의 생존을 위협하게 되었다. 따라서 이러한 에너지 사용에 따른 반작용을 줄여주기 위한 노력이 요구된다.


인류가 사용하는 에너지원은 대부분 태양에너지의 저장물이다. 화석연료는 지질시대의 태양에너지 저장물이며, 바이오매스는 식물의 광합성에 의한 수년전의 태양에너지원이다. 화석연료의 대량 사용은 지구온난화에 매우 큰 영향을 주는데, 이는 서서히 진행되기 때문에 심각하지만 쉽게 느끼지 못하는 것으로 인체에 직접적인 영향을 주지 않기 때문에 시급성을 느끼지 못한다는 것이다. 지구의 온난화는 생태계의 변화는 물론 기상이변 등 지구 전역에 광범위한 피해를 준다. 따라서 이의 사용량을 줄이는 근본적인 대책과 발생된 온실가스를 저장하는 방법이 요구된다. 바이오매스는 온실가스의 자연 순환이 가능한 에너지 저장체로, 기존의 석유화학을 대체할 분야이다. 현재 우리가 사용하고 있는 대부분의 고분자 물질은 석유로부터 제조된 것으로 석유가 고갈되면 이의 합성은 바이오매스로부터 이루어질 것으로 생각된다.

 

이미 일부는 바이오매스로부터 얻어지고 있다. 바이오 에탄올과 바이오디젤이 그 예이다. 바이오 에탄올은 예전에 곡류로부터 술을 제조하는 방식으로 이해될 수 있는 부분이다. 현재 브라질에서는 사탕수수를 이용 에탄올을 제조하여 수송용 연료로 사용하고 있다. 또한 바이오 디젤은 콩에서 얻어지는 식용유로부터 제조되는데, 이를 대량 생산하여 수송용 연료로 사용하고자 한다면 유전자 조작을 통한 크고 다량의 콩을 생산하는 쪽으로 생명공학을 발전시키면 해결될수 있다. 현재 태양에너지의 저장 방법은 엽록체의 탄소 동화작용에 의한 화학에너지로 저장이다. 그런데 이보다 손쉬운 에너지 저장 방법이 개발된다면 실시간 태양에너지의 이용이 가능해질 수 있다.


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