열역학 제1법칙

이번 달 용돈으로 5만 원을 받았다고 생각해 볼게요. 문구점에서 3만 원을 쓰고 나니 지갑에는 2만 원이 남았어요. 쓴 돈과 남은 돈을 더하면 처음 받은 금액이 그대로 나와요.

돈이 중간에 저절로 생기거나 사라지지 않기 때문이에요. 어딘가로 자리를 옮겼을 뿐이지 총액은 늘 그대로예요. 그래서 장부가 맞지 않으면 우리는 빠뜨린 항목부터 찾아봐요.

에너지도 이 용돈 장부와 같은 방식으로 움직여요. 냄비에 불로 열을 넣어 주면 그 열은 물속에 쌓이거나 뚜껑을 밀어 올리는 일에 쓰이고, 일부는 열로 다시 주변 공기에 빠져나가요. 들어온 에너지는 쌓이거나 일이나 열로 나갈 뿐 없어지지 않아요.

그래서 물리에서는 살펴볼 대상을 하나의 지갑처럼 정해 놓고 계산해요. 그 지갑에 들어온 열, 지갑에서 나간 일, 지갑 안에 남은 몫을 나란히 적어 보는 거예요. 세 칸을 채우고 나면 장부는 어김없이 맞아떨어져요.

용돈을 한 푼도 받지 않으면서 돈을 쓰기만 하는 지갑을 상상해 볼게요. 며칠은 버틸지 몰라도 언젠가는 바닥이 나요. 들어오는 것 없이 나가기만 하는 지갑은 있을 수 없어요.

연료를 넣지 않고도 끝없이 일을 해낸다는 기계를 무한동력 기계라고 불러요. 이런 기계는 용돈 없이 계속 쓰기만 하는 지갑과 같은 이야기예요. 꺼내 쓸 에너지를 어딘가에서 받아야 바퀴를 돌려 일을 시킬 수 있어요.

무한동력을 내세운 장치들을 뜯어보면 대개 숨은 입금 항목이 나와요. 미리 감아 둔 태엽이거나, 안팎의 온도 차이거나, 눈에 잘 띄지 않게 넣어 둔 전지예요. 장부를 끝까지 맞춰 보면 비어 있던 칸이 채워져요.

그래서 새로운 무한동력 발명품이 나올 때마다 사람들은 먼저 입금 칸을 찾아요. 에너지가 들어오는 곳이 실제로 없다면 그 기계는 바깥에 일을 계속 해 줄 수 없어요. 그래서 계속 일을 해내는 장치라면 어딘가에 입금 칸이 숨어 있는 거예요.

조금 더 정확히 말하면, 장부가 맞는다고 해서 흩어진 돈을 다시 모으기 쉬운 것은 아니에요. 용돈을 동네 곳곳에 1원씩 흩뿌렸다면 총액은 그대로지만 되찾기는 몹시 어려워요.

에너지도 마찬가지예요. 자동차가 달리면 연료가 품고 있던 에너지는 바퀴와 공기와 도로에 마찰열로 흩어져요. 총량은 그대로인데 다시 그러모아 쓰기 어려운 형태로 바뀐 거예요.

그래서 이 규칙만으로는 변화가 어느 쪽으로 흘러갈지 정해지지 않아요. 장부가 맞는 길이 두 갈래라면, 그중 실제로 일어나는 쪽이 어디인지는 다른 규칙이 알려줘요.

덧붙일 단서가 하나 더 있어요. 원자핵이 쪼개지거나 합쳐지는 변화에서는 질량도 에너지의 한 형태로 함께 적어야 해요. 이 몫까지 장부에 넣으면 규칙은 그대로 들어맞아요.