읽자마자 이해되는 열역학 교과서

이광조 지음

보누스 2024년 09월 10일 출간 국내도서 : 2024년 09월 10일 출간

작품소개

책소개

열역학은 열적 현상을 연구하는 학문으로 열과 일의 메커니즘을 밝힌다. 한마디로 ‘열과 일은 무슨 관계인가?’에 답하는 학문이다. 이처럼 열역학은 기본적으로 눈에 보이지 않는 것들을 다룬다. 그러다 보니 미시적 관점과 거시적 관점이 혼재하고, 이상기체를 말하다가 갑자기 현실 기체를 말하고, 기체 공통의 특징을 설명하다가 어느 순간 기체마다 다른 개별적 특성을 설명하는 등 공부하기가 매우 복잡하고 까다롭기로 악명 높다. 그러나 열역학은 어디까지나 불친절할 뿐, 절대 어려운 학문이 아니다. 어려운 수식과 이론에 가려진 열역학의 핵심과 본질을 단번에 이해해 보자.

목차

머리말

1장 열역학이란 무엇일까
우주 전체에 적용되는 대법칙
우리 삶은 곧 물리학이다
에너지의 형태를 바꾸는 법
열역학의 분석 방법
열역학을 이끌 주인공
기체 프로필 분석하기

2장 기체란 무엇일까
성향이 정반대인 기체의 부피와 압력_보일 법칙
성향이 비슷한 기체의 부피와 온도_샤를 법칙
삼자대면의 시간_보일-샤를 법칙
다섯 요소의 관계를 동시에 분석하기_아보가드로 법칙(1)
다섯 요소의 관계를 동시에 분석하기_아보가드로 법칙(2)
다섯 요소의 관계를 동시에 분석하기_아보가드로 법칙(3)
단 한 줄로 정리하는 기체의 특성_이상기체 상태 방정식(1)
단 한 줄로 정리하는 기체의 특성_이상기체 상태 방정식(2)
열역학 여행을 떠나기 전 마지막 채비 (1)
열역학 여행을 떠나기 전 마지막 채비 (2)

3장 열이란 무엇일까
에너지는 돈이다
에너지 교환은 거래다
에너지는 얼마나 이동했을까_열량(Q)
우리가 에너지를 만드는 법_물질대사
열은 어디서 얼마나 이동할까_열용량(C)
1℃를 높이려면 열이 얼마나 필요할까_비열(c)
열량 표현 이해하기
비열은 열의 관성이다
기체의 비열

4장 열역학 법칙이란 무엇일까
화학과 물리학의 서로 다른 시선
열역학 1법칙
에너지의 흐름 이해하기
열역학 0법칙
‘열’이 ‘열일’하는 곳_열기관(엔진)
열역학 과정 파헤치기 (1)
열역학 과정 파헤치기 (2)
열역학 과정 파헤치기 (3)

5장 열기관이란 무엇일까
전형적인 외연기관_스털링 기관
스털링 기관 한눈에 살펴보기
일을 잘하는 열기관을 만들자
이상적인 열기관_카르노 기관
가솔린 엔진과 디젤 엔진은 무엇이 다를까?

6장 열과 에너지와 엔트로피
에너지를 그대로 보존할 수 없는 이유
열역학 2법칙
엔트로피란 무엇일까
엔트로피는 항상 증가한다
무질서의 척도
엔트로피의 정체를 알아낼 수 있을까?
영구 기관이란 무엇일까?
열역학 3법칙

맺음말

출판사 서평

까다로운 열역학 이론을 단번에 정리한다!
기본부터 탄탄하게 다지는 열역학의 모든 개념과 원리

열역학은 열과 일의 관계를 밝히는 학문이다. 이처럼 열역학의 연구 목적은 단순하고 명쾌하지만, 이 간단한 질문에 뒤따르는 수많은 복잡한 계산과 문제를 보다 보면 당장이라도 포기하고 싶은 마음이 든다. 그러나 어려워 보이는 숫자와 기호, 수식은 본질이 아닌 수단일 뿐이다. 이들을 과감히 걷어내고 열역학의 핵심에 곧바로 다가가 보자. 열역학은 뉴턴 역학을 비롯한 다른 물리학 분야와 비교했을 때 자연을 바라보는 대상은 물론 출발점 자체가 다르며, 풀어내는 방법 역시 다르다. 이 점을 알고 시작해야 열역학의 본질을 쉽게 간파할 수 있다.
사실 열역학은 그 어떤 과학 분야보다도 일상생활과 가까이 맞닿아 있는 학문이다. 주변에서 가장 흔하게 존재하는 에너지가 바로 열에너지이기 때문이다. 인류가 불을 사용한 이래로 열에너지는 모든 생활에 폭넓게 활용할 수 있는 존재가 되었다. 특히 열기관(엔진)을 발명하면서 열에너지 혁명의 시대가 도래하기도 했다.
열을 일로 바꾸는 기계인 열기관의 등장은 역사적으로도, 학문적으로도 엄청난 대사건이다. 왜냐하면 일을 열로 전환하는 것보다 열을 일로 전환하는 것이 압도적으로 어렵기 때문이다. 예를 들어 두 손바닥을 비비면 뜨거워진다. 이것이 일을 열로 전환하는 사례다. 그 반대는 손에 열을 가해서 두 손바닥을 비비게 만드는 것이다. 이렇게 생각하면 왜 열을 일로 전환하는 것이 어려운지 곧바로 체감이 된다.
이처럼 복잡한 열역학 이론 역시 일상의 간단한 비유만으로도 명쾌하게 이해할 수 있다. 에너지의 흐름 그 자체를 나타내는 열역학의 참모습을 이해한다면 까다로운 수식과 함께 등장하는 열역학 문제도 간단하게 암산할 수 있는 문제로 탈바꿈할 것이다.


열역학 법칙과 기체 방정식·에너지·열기관·엔트로피
읽자마자 이해되는 일과 열, 에너지의 본질

열역학은 ‘에너지’를 다루는 학문이다. 따라서 물질의 상태 중 에너지를 가장 많이 가지고 있는 기체가 주요 연구 대상이다. 이 말은 기체의 정체를 밝히는 것만으로도 기본적인 열역학의 핵심 개념들을 쉽게 이해할 수 있다는 뜻이다. 보일 법칙, 샤를 법칙, 아보가드로 법칙 등 머리를 아프게 했던 공식들은 부피, 압력, 온도라는 기체의 특성을 정리한 프로필일 뿐이다. 우리가 흔히 프로필에 키, 몸무게, 나이를 쓰는 것과 완전히 똑같다.
열역학의 핵심 연구 주제인 에너지와 열 역시 직관적인 비유를 통해 이해할 수 있다. 에너지는 돈, 열은 돈거래라고 생각해 보자. 돈은 경제적 거래 능력을 숫자로 나타낸 것이고, 에너지는 일할 수 있는 능력을 숫자로 나타낸 것이므로 의미가 통한다. 열 역시 ‘에너지의 이동’을 나타내며 돈거래도 똑같이 ‘돈의 이동’을 가리키는 개념이다. 조금 더 나아가면, 거래는 혼자 할 수 없으므로 열도 마찬가지로 온도가 다른 두 개 이상의 물체(계)가 필요하다. 사장이 직원에게 월급을 주는 것처럼 열도 온도가 높은 물체에서 낮은 물체로 이동한다.
거의 모든 열역학 개념은 이런 간단한 비유만으로 쉽게 이해할 수 있다. 이처럼 복잡한 수식과 이론을 걷어내고 그 안에 있는 열역학의 본질에 집중하면 열량, 비열, 에너지의 흐름 등 어렵게만 느껴졌던 열역학 개념과 문제들도 사실 별것 아니라는 것을 깨닫게 될 것이다.

가장 간단하고 빠르게 이해하는 열역학의 핵심 개념
복잡하게 얽힌 열역학 문제가 단숨에 풀린다!

열역학은 물리학 중에서도 어려운 분야로 손꼽힌다. 뉴턴 역학으로 대표되는 기존의 물리학과 접근 방식, 풀이 방식이 사뭇 다르기 때문이다. 따라서《읽자마자 이해되는 열역학 교과서》는 열역학을 쉽게 이해할 수 있는 길잡이가 되는 것을 목표로, 기존 물리학의 설명 방식을 그대로 따르기보다는 오로지 ‘이해’에 초점을 맞췄다. 이론과 공식의 틀에서 과감히 벗어나 다른 물리학 책에서는 볼 수 없던 쉽고 직관적인 접근을 시도했다.
중고등학교 열역학의 주요 개념과 법칙을 상세히 정리하는 것은 물론, 나아가 대학 열역학의 기초와 방향성까지 다룬다. 물론 이 책에도 실전 문제들이 등장한다. 그러나 문제와 풀이, 정답만 있는 것이 아니라 어떻게 문제에 접근하고 해결해야 하는지에 관한 방식을 자세히 담았기 때문에 문제를 보면 오히려 열역학 개념을 더욱 명쾌하게 이해할 수 있다. 책을 다 읽고 나면 공식에 의존하지 않고 본질과 개념에 근거해 아무리 복잡한 열역학 문제라도 간단히 해결할 수 있을 것이다.

작가정보

저자(글) 이광조

이광조(광쌤)
오로지 물리학이라는 학문이 지닌 매력에 이끌려 물리학과에 진학했지만, 암기 위주의 획일적이고 권위적인 물리 교육에 회의감을 느꼈다. 물리의 본질은 무엇인지 스스로에게 끊임없이 질문하며, 그 본질에 보다 가까이 다가가고자 몰입하다 보니 어느새 나만의 방식으로 물리를 해석할 수 있게 되었다. 단순히 문제를 쉽게 푸는 것을 넘어, 복잡한 수학과 공식은 최소화하고 친근한 비유로 다양한 물리학 분야의 핵심과 본질을 설명하기 위해 늘 힘쓰고 있다.
저서로는 《이런 물리라면 포기하지 않을 텐데》《EBS 수능 개념 광쌤의 물리 플렉스》 《물리 개념 끝장내기》등이 있다.