열(heat)의 해석

18세기, 로베스 피에르의 친구이자 나폴레옹 시절 내무장관을 지낸 라자르 카르노. 그는 페르시아의 시인 사디(Sa' di)를 좋아하여 큰아들의 이름에 사디를 넣었다. 그가 바로 카르노 기관 (Carnot heat engine)을 고안한 사디 카르노 (Nicolas Léonard Sadi Carnot, 1796~1832)이다.
1824년에 《불의 동력에 관한 고찰》 (Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres développer cette puissance)이라는 소책자를 통해 증기 기계의 작동에 대해 설명하고자 하며 열역학 제2법칙의 기초를 세웠다. 그러나 이 안에는 잘못된 개념들도 있었는데, 예를 들면 그는 '열'은 일종의 안정적인 유체(fluid) 같은 것으로, 뜨거운 쪽에서 차가운 쪽으로 열이 "낙하"하며 에너지가 생산된다고 생각했던 것이다. (물론 '열이 고온->저온 이동하기 때문에 증기 기계가 작동한다'고 한 것은 중요하다.)

이에 루돌프 클라우지우스 (Rudolf Julius Emanuel Clausius, 1822~1888)는 '열은 차가운 물체에서 뜨거운 물체로 이동할 수 없다'는 법칙을 발표했고, 곧 이를 바탕으로 '열이 역행하지 않고 한 방향으로만 이동하는 상황을 측정하는 양'에 대한 개념, 즉 '엔트로피' 개념과 함께 열역학 제 2법칙 (second law of thermodynamics) 을 발표했다.

ΔS ≥ 0 (S: 엔트로피)

그런데, 앞서 열이 유체라는 생각이 잘못된 것이라고 했다. 그렇다면 열이란? 루트비히 볼츠만 (Ludwig Eduard Boltzmann, 1844~1906)이 알려주는 옳은 개념에 따르면, '열이란 분자들이 일으키는 미세한 동요'이다. 분자들이 심하게 동요할 수록 뜨겁고, 적게 동요할 수록 차가운 상태인데, 이 분자들의 동요가 모든 것을 움직인다는 것이다. 역시, 분자들은 뜨거운 쪽에서 차가운 쪽으로만 이동한다. (=엔트로피가 증가한다)
그렇다면 '엔트로피가 왜 증가하기만 할까?' 라는 의문을 누군가 가질 수 있다. 이에 대해 볼츠만은, 엔트로피가 존재하는 것은 사람들이 어떤 특수성을 규정하여 세상을 희미하게 설명하기 때문이라고 했다. 그 희미한 시각 때문에 가려진 다양한 구성들을 산출하는 양을 계산하며, 그는 열과 엔트로피 등을 통계적으로 설명하였다.

S = k logW

(볼츠만의 무덤)