제임스 줄 열역학, 물레방아로 밝혀낸 열과 에너지의 정체

옛날 사람들은 '열'과 '움직임'이 완전히 다른 것이라고 믿었다

손을 빠르게 비비면 뜨거워지잖아요? 그런데 200년 전 과학자들은 이걸 제대로 설명하지 못했어요. 왜냐하면 그 시대에는 '열'이 눈에 안 보이는 특별한 액체 같은 거라고 믿었거든요. 이름도 있었어요 — '칼로릭'이라는 물질이 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 흘러간다고 생각한 거예요. 마치 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르듯이요.

그러니까 '물체를 움직이는 힘'과 '뜨거워지는 열'은 아예 다른 세계의 것이었어요. 공을 던지는 에너지와 난로의 따뜻함이 서로 관련 있다고? 당시 사람들에게는 "게임 아이템이 갑자기 급식으로 바뀐다"는 말처럼 황당하게 들렸을 거예요.

그런데 영국 맨체스터에 사는 한 청년이 이 상식에 의문을 품었어요. 양조장, 그러니까 맥주 만드는 공장을 운영하는 집안의 아들 제임스 프레스콧 줄이었어요. 과학 실험을 미친 듯이 좋아했던 이 청년은 "정말로 열이 특별한 물질일까?" 하고 직접 확인해 보기로 했어요.

물속에서 바퀴를 돌렸더니, 물이 정확히 그만큼 뜨거워졌다!

줄이 만든 실험 장치는 놀라울 만큼 단순해요. 물이 담긴 통 안에 작은 날개바퀴, 일종의 미니 물레방아를 넣었어요. 그리고 통 바깥에서 추를 떨어뜨려서 줄로 연결된 그 바퀴를 빙빙 돌렸죠. 추가 떨어지면서 바퀴가 돌고, 바퀴가 물을 휘저어요.

핵심은 온도계였어요. 줄은 0.01도까지 잴 수 있는 초정밀 온도계를 물속에 담갔어요. 추가 떨어져서 바퀴가 돌 때마다 물의 온도가 아주 조금씩 올라갔거든요. 마치 스마트폰으로 무거운 게임을 오래 돌리면 폰이 뜨거워지는 것처럼, 움직임이 열로 바뀐 거예요!

줄은 이 실험을 무려 수백 번 반복했어요. 추의 무게를 바꾸고, 떨어지는 높이를 바꾸면서요. 그랬더니 놀라운 결과가 나왔어요. 추가 한 일정한 양만큼 일을 하면, 물의 온도는 언제나 정확히 같은 만큼 올라갔어요. '움직임'과 '열'은 완전히 다른 것이 아니라, 서로 정확한 비율로 교환되는 같은 것이었던 거예요. 이걸 '열의 일당량'이라고 불러요 — 쉽게 말하면 "움직임 얼마가 열 얼마와 같다"는 환율표 같은 거예요.

에너지는 절대 사라지지 않는다 — 과학의 가장 강력한 법칙이 탄생했다

줄이 발견한 이 '환율표'는 과학 역사를 완전히 뒤집었어요. 열도, 움직임도, 전기도, 빛도 전부 '에너지'라는 하나의 것이 모습만 바꾼 것이라는 사실이 밝혀진 거예요. 그리고 여기서 과학에서 가장 강력한 법칙이 탄생해요 — 바로 '에너지 보존 법칙'이에요.

에너지 보존 법칙은 이런 뜻이에요. "에너지는 절대로 새로 만들어지지 않고, 절대로 사라지지도 않는다. 단지 형태만 바뀔 뿐이다." 게임에서 체력이 마나로 바뀌고, 마나가 스킬로 바뀌지만 전체 수치의 합은 항상 같은 것처럼요.

처음에 유명한 과학자들은 줄의 실험을 무시했어요. 양조장 아들이 뭘 알겠냐고요. 하지만 줄은 포기하지 않고 더 정밀한 실험 결과를 들이밀었고, 결국 과학계는 인정할 수밖에 없었어요. 에너지의 단위 이름이 '줄(J)'인 거 알고 있나요? 바로 이 사람의 이름에서 따온 거예요. 과학 교과서에 영원히 이름이 새겨진 셈이에요.

스마트폰이 뜨거워지는 이유, 사실 줄이 200년 전에 알아냈다

줄의 이름이 교과서에만 있는 게 아니에요. 여러분의 일상 곳곳에 줄의 발견이 숨어 있어요. 스마트폰으로 게임을 오래 하면 폰이 화끈하게 뜨거워지죠? 그건 배터리의 전기 에너지가 화면과 칩을 움직이면서 열 에너지로 바뀌기 때문이에요. 에너지가 사라진 게 아니라 '형태'가 바뀐 거예요 — 정확히 줄이 증명한 그 원리대로요.

자전거를 타다가 브레이크를 꽉 잡으면 브레이크 패드가 뜨거워져요. 움직이던 에너지가 열로 바뀐 거예요. 급식 시간에 뜨거운 국을 후후 불면 국이 식잖아요? 열 에너지가 공기로 옮겨간 거예요. 전부 다 에너지 보존 법칙이에요.

200년 전 줄은 물통 하나와 추 하나로 이 거대한 비밀을 파헤쳤어요. 대단한 장비가 아니라, "정말 그런가?" 하고 끝까지 의심하고 직접 확인한 집념이 세상을 바꾼 거예요. 혹시 여러분도 당연하다고 생각했던 것에 "왜?"라고 물어본 적 있나요? 그 질문이 바로 과학의 시작이에요.