열역학의 아버지 윌리엄 켈빈

윌리엄 켈빈 사진

19세기 중반부터 20세기 초까지 활동한 열역학의 아버지 윌리엄 켈빈은 대표적인 물리학자이자 수학자이며, 온도의 성질을 연구하여 절대 온도라는 개념을 만들어내는 등 천문학, 물리학, 열역학, 수학 등 여러 분야에서 중요한 업적을 남겼습니다. 이번에는 윌리엄 켈빈에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다.

윌리엄 켈빈의 생애

윌리엄 켈빈은 1824년 6월 26일에 스코틀랜드의 벨파스트에서 태어났습니다. 그는 수학, 물리학 및 공학 분야에서 활동한 스코틀랜드의 과학자이며, 열역학 제2법칙에서 알려진 열역학의 아버지 중 한 명입니다. 그는 10대 초중반에 이미 유망한 학생이었습니다. 그는 14세로 약식 교육을 받은 이후, 유명한 산업가였던 아버지인 제임스 톰슨의 회사에서 일했습니다. 이 기간 동안, 그는 방전관에서 전기를 사용하기 위해 작은 진동기를 개발하는데 기여했습니다. 18세 때에 그는 캠브리지 대학교에 입학하여 수학을 전공했습니다. 그는 이전에 엔지니어로서의 경험이 있었기 때문에 유연한 사고방식을 가지고 있었으며, 수학을 기반으로 한 공학의 원리를 이해함으로써 문제 해결 능력을 개발하는 데에 능했습니다. 졸업 후, 그는 수학 교수로 임용되어 53년 동안 열일했습니다. 그의 주요 연구 분야는 열역학, 전기전자 공학 등이었습니다. 그는 열전달, 전기파, 불균등한 이온 분포, 선형 흐름 및 진동, 화학 및 지구과학 등에 관심을 가졌습니다. 그는 또한 태양열 발전, 전기 생성 및 전신 방호용 수영복과 같이 일상생활 전반에 영향을 미치는 몇몇 발명품을 고안했습니다. 그는 대부분이 숫자 기반의 연구를 수행하면서, "냉철한" 인식력과 엄밀한 방법론을 가지고 접근했습니다. 많은 연구로 그는 이론적으로 추론하는 것에 익숙해졌으며, 그것이 완벽하게 측정할 수 없는 것과 구분될 수 있었습니다. 이 근본 주제는 바로 열역학에서 내 삶을 정의하는 것입니다. 그는 수많은 명예와 상을 받았으며, 기술적인 업적과 과학 분야에서의 이론적인 발견으로 인해 노벨 사항 과학 분야의 최초 수상자이기도 합니다. 그는 많은 연구를 통해 현대 과학과 엔지니어링 분야에 큰 영향을 준 위대한 과학자 중 한 명입니다.

절대 온도 척도 발명

윌리엄 켈빈은 1848년에 절대온도 척도인 앱설루트 온도 척도를 발명했습니다. 이 척도는 섭씨, 화씨 등의 다른 척도와는 달리, 절대적인 영점을 사용하여 온도를 측정합니다. 압력이 0인 절대고도에서의 온도로, 절대적으로 0도일 때 분자운동의 기운이 없는 완전한 침체 상태를 의미합니다. 앱설루트 온도 척도에서는 온도의 단위를 켈빈(K)으로 측정합니다. 이 단위는 일반적으로 공학과 과학 분야에서 사용됩니다. 섭씨 또는 화씨 척도에서의 온도와 앱설루트 온도 척도에서의 온도 변화량과의 관계는 아래와 같습니다. K = ℃ + 273.15 (앱설루트 온도 척도에서 섭씨 ℃로 변환하는 식) K = (℉ + 459.67) × 5/9 (앱설루트 온도 척도에서 화씨 ℉로 변환하는 식) 앱설루트 온도 척도는 열역학에서 매우 중요한 개념으로, 열역학 제2법칙을 이해하는 데 필수적인 개념 중 하나입니다. 또한, 앱설루트 온도 척도는 과학 및 공학 분야에서 열 및 온도를 측정하는 데 사용되며, 광범위하게 사용됩니다. 예를 들어, 엔진, 냉장고, 에어컨, 난방 시스템, 석유화학 제품 등 열 및 온도 측정 과정에서 켈빈 척도는 널리 사용됩니다.

열역학 이론의 일상생활에서의 적용

열역학 이론은 우리 일상생활에서 매우 실용적인 방법으로 적용됩니다. 다음은 열역학 이론이 일상생활에서 어떻게 적용되는지 몇 가지 예시입니다. 냉장고와 에어컨은 열역학 이론에 따라 작동합니다. 냉장고에서는 냉매에 의해 열이 흡수되어 내부 공간을 차갑게 유지하며, 에어컨은 압축기에서 냉매가 액체 상태로 압축되어 에너지를 방출하면서 더 많은 열을 흡수합니다. 이러한 열역학 원리에 따라 냉장고와 에어컨은 우리 일상생활에서 필수적인 가전제품 중 하나입니다. 요리 및 구이는 열전달 원리에 기반한 과정입니다. 음식을 뜨거운 물이나 오븐, 프라이팬 안으로 넣으면 열이 전달되어 음식이 요리되거나 구워집니다. 이를 통해 식자재의 미각, 향미, 영양소 및 소화의 적절한 흡수를 위해 열 역시 중요한 역할을 합니다. 난방 시스템은 열역학의 원리에 따라 작동합니다. Radiator에 흘러가는 뜨거운 물에서 열이 방출되어 뜨거워진 공기가 방 안에 뿜어져 나가게 됩니다. 이러한 원리를 통해 난방 시스템은 대부분의 가정 및 건물에서 필수적인 부분입니다. 자동차 엔진과 전기차는 모두 열력학의 원리를 사용하여 작동합니다. 자동차 엔진은 순환 냉각제를 사용하여 열을 흡수하고, 이러한 열이 엔진 내부에 생성되어 굴러간 기어와 효과적으로 상호작용합니다. 반면 전기차는 배터리에서 에너지를 추출하고 전기적 에너지를 사용하여 열 성능을 제어합니다.