프란시스 베이컨, 사디 카르노

열역학이란 도대체 무엇일까?  열역학이란 열의 교환을 연구하는 학문이다. 열역학은 거시적인 系를 연구하는 학문이기도 하며, 일을 연구하는 학문이기도 하다.  사람들은 열과 열의 느낌을 혼돈한다.  200도로가열되는 오븐 안에 1시간 가까이 있으면 파이와 파이틀은 둘 다 열평형에 이른다. 열의 느낌과 관련해서 우리의 감각은 물체의 온도를 측정하기 위해서 존재하는 것이 아니라, 화상 위험이 있을 경우 그것을 경고하기 위해서 존재하는 것이다. 그렇다면 파이틀이 파이보다 훨씬 더 뜨겁게 느껴지는 것은 왜 그럴까? 그 이유는 파이틀을 이루고 있는 물질과 관련이 있다.  금속이 동일한 온도의 나무나 플라스틱에 비해서 우리 손에 더 차갑게 느껴지는 것도 마찬가지 원리이다. 손에서 많은 양의 열이 금속으로 옮겨가기 때문에 차가운 것처럼 느껴지는 것이다. 온도는 물질을 이루는 입자들의 운동을 부분적으로 측정한 값이고, 열은 입자들 사이의 특별한 에너지 이동에 해당한다.

 

17세기 활동한 영국 철학자 베이컨은 과학에도 관심이 아주 많았던 인물이다.  베이컨은 과학의 개혁이라는 목표를 위해서 6부로 구성된 '학문의 대혁신'이라는 기념비적인 저서의 집필을 구상했다. 2부에서 베이컨은 새로운 과학적 방법론을 설명했다.  편견에서 벗어나 실험을 통해서 얻은 충분한 자료에서 출발하여 현상의 원인과 이 원인이 현상을 위한 방식을 추론해야 한다는 것이다. 베이컨은 경험이 자연을 이해하고 지배하기 위한 효과적인 도구라고 주장했다. 경험을 도구삼아 지연을 이해하려면 그가 우상이라고 부른 것,  다시 말해 우리가 자연에 대해서 가지고 있는 편견과 착각에서 벗어나야 한다고 말했다. 

* 종족의 우상은 모든 인간이 공유하는 것으로 우리의 감각이 언제든지 착각할 수 있기 때문에   생기게 된다. 우리가 자신이 지각하는 것과 실제 존재하는 것을 혼돈하는 오류가 이 우상에 의한 것이다.

* 동굴우상은 각 개인의 고유한 것으로 개인의 교육 상태와 믿음, 습관, 성향에 의해 만들어진다.   개인은 저마다 프리즘을 통해 세상을 보며 자신만의 동굴에 갇혀 있음으로서 편견을 가질 수 있다.

* 시장의 우상은 광장의 우상이라고 할 수 있는 것으로 언어와 언어에 대한 개인적 해석이 빚게   되는 오해, 대립, 소통의 어려움 때문에 생기는 오류가 여기에 해당한다.

* 극장의 우상은 전통과 권위에 기안하는 것으로 과거 인물이나 유명 인물들의 사상을 과대평가 해서 사고를 가로막게 되는 편견을 말한다.

신기관에 나오는 세가지 표 이론, 즉 자료를 체계화하고 해석하는 방법론은 다음과 같다.

* 존재의 표는 어떤 현상을 연구할 때 그 현상이 자연적으로 관찰되는 상황을 모두 기록해야 한다.

* 부재의 표에는 첫 번째 표와 상황이 비슷한 데도 문제의 현상이 관찰되지 않는 경우를 기록해야 한다.

* 정도의 표는 문제의 현상이 정도의 차이를 두고, 관찰되는 상황을 분류해서 기록해야 한다.

 

이 세 표의 내용을 종합하면 어떤 현상에 대해서 귀납적으로 추론할 수 있다. 현상의 원인을 밝혀 일반화 하고 무엇이 부족해서 현상이 나타나는 않는지 파악하고, 현상 정도가 무엇과 함께 변화하는지 알아내는 것이다.  이 추론에서 출발하여 가설을 세운 뒤 실험으로 가설을 입증하면 된다. 이 방법이 베이컨이 말하는 새로운 도구이며,  이 도구를 이용해서 열이 운동과 연관되어 있다는 결론을 이끌어냈다. 열이 일종의 운동이라는 말은 열이 운동을 야기하거나, 혹은 운동이 열을 야기한다는 뜻이 아니라, 열 그 자체가 다름 아닌 운동이라는 뜻이다. 

 

니콜라 레오나르 사디 카르노는 19세기 초에 활동한 프랑스 물리학자이자 공학자이며 ‘불의 동력 및 그 힘의 발생에 적당한 기계에 관한 고찰’을 통해서 ‘열역학’이라는 새로운 학문의 토대를 마련했다. 열역학 목적은 불이 가진 에너지를 기계적인 힘으로 바꾸는 것이다. 카르노는 그 책에서 열의 성질 자체에는 신경쓰지 않고 에너지원이자 동인으로서의 열에 관심을 가졌다. 열은 측정이 가능한 실제적인 현상이었고 열의 출현과 이동, 손실을 지배하는 법칙에 관심을 가지는 것은 당연하다. 카르노는 '뜨거운 물체와 차가운 물체가 존재하지 않으면 동력을 만들 수 없다'고 했다.  이는 열역학 제2법칙의 초기버전에 해당하는 내용이다. 카르노는 이상적인 열기관을 만드는 방법을 연구했다. 이후 카르노 기관이라는 이름으로 알려지게 되는 이상적인 열기관은 뜨거운 물체와 차가운 물체가 반복해서 열을 교환하도록 만든 것이다. 실제로 어느 단계에서든 열의 손실이 발샹하면 완벽하게 가역적인 순환과정,  다시 말해서 열이 어느 한 방향으로 이동하면서 만드는 일의 양과 그 반대 방향으로 동일한 일이 만들어질 때, 이동하는 열의 양이 서로 정확히 대응되는 과정을 만드는 것은 불가능하다.  따라서 카르노 기관은 그런 식으로 작동하게끔 만들어진 기관으로 얻을 수 있는 최대 효율을 가진다는 점에서 이상적인 기관이다.