열소
뮌헨, 1798년. 럼퍼드 백작은 병기창에서 포신을 뚫는 것을 보며 계산의 질문을 던진다. 열이 금속에 스며 있는 물질이라면 그 저장량은 유한하고, 천공은 언젠가 열을 내지 않게 될 것이다. 그는 무딘 드릴을 가져와 포신을 물통에 넣고, 두 시간 반 뒤 물이 끓는다. 물을 갈자 — 다시 끓는다.
열소는 라부아지에가 단체 표에 올린 무게 없는 물질이었다. 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 흐르며 그동안 보존된다고 여겨졌다. 그 양은 칼로리로 쟀다: 1칼로리는 물 1그램을 1도 데운다. 이 이론은 올바른 열용량 표를 낳았고, 카르노의 열기관 이론까지 낳았다. 그러나 럼퍼드의 실험은 일을 하는 한 열을 끝없이 얻을 수 있음을 보여 주었다.
| 기호 | caloric · calorique · 척도 cal |
| 어떻게 계산했나 | 녹은 얼음의 질량과 물이 데워진 정도로 · Q = c·m·ΔT |
| 무엇을 전제했나 | 보존: 한 물체에서 나간 만큼 다른 물체로 들어간다 |
| 도입과 폐기 | calorique — 라부아지에, 1789 · 럼퍼드의 실험 — 1798 · 열의 일당량 — 줄, 1843—1850 |
| 오늘의 표기 | 열은 에너지의 한 형태이며 줄로 나타낸다 · 1 cal = 4.184 J · ISO 80000-5 |
| 대표 값 | 79.7 cal — 얼음 1그램 녹이기 · 540 cal — 물 1그램 증발시키기 · 2000 kcal — 하루 식사 |
01 · 정의
열의 무게 없는 유체
18세기 말의 체계에서 열소는 물체 안에 있으며 따뜻한 물체에서 차가운 물체로 흐른다. 그 입자들은 서로 밀어낸다 — 그래서 열은 퍼지고, 물체는 데우면 늘어난다. 물질마다 열소를 담는 정도가 다르다: 철이 1도 데워지는 데 드는 양은 물의 10분의 1이다.
블랙의 숨은열도 설명되었다: 녹는 얼음은 열소를 받지만 데워지지 않으니, 열소가 결합한 형태로 들어간다는 것이다. 체계의 모든 계산은 하나의 전제 위에 서 있었다 — 열소는 보존된다. 바로 그것을 버려야 했다. 열용량의 식은 그대로 유효하고, 다만 열을 이제 에너지로 센다.
온도계 없이, 저울로 재는 열
가운데에 얼음 방에 넣은 뜨거운 시료가 있고, 색은 온도에 따라 바뀐다. 청록색은 얼음과 녹은 물이며, 물은 아래 컵으로 흘러내린다 — 그 질량에서 열을 구한다. 바깥 덮개도 얼음이어서 방의 열로부터 실험을 지킨다. 호박색 점은 당시 상상한 열소다: 시료가 0도까지 식을 때까지 시료에서 얼음으로 옮겨 간다.
열소는 모든 것을 설명했다 — 천공을 시작하기 전까지는
여기서 열소는 당시 상상한 대로 그렸다: 무게 없는 유체의 호박색 입자 260개. 처음 세 실험에서는 개수가 변하지 않는다. 다른 물체로 흘러가거나, 물체를 부풀리거나, 녹는 얼음 속에 숨을 뿐이다. 속이 빈 원은 결합한 열소이고, 청록색 층은 얼음이다. 네 번째 실험에서는 드릴이 무에서 새 입자를, 흰 입자를 낳는다 — 그리고 셈이 맞지 않게 된다. 슬라이더로 실험을 진행한다. 장면 아래의 숫자는 그 시절처럼 칼로리로 센다.
식지 않는 포신
가운데는 병기창의 천공기다. 말들이 원을 그리며 걷고, 그 권양기가 큰 바퀴와 작은 톱니바퀴를 거쳐 청동 포신을 돌린다. 포신은 물통 안에 서 있고, 무딘 드릴이 포강에 눌린다. 연보라는 기계적 일: 전동, 축, 말의 동력. 호박색은 마찰 지점에서 생기는 열: 입자가 드릴에서 물을 뚫고 올라간다. 청록색은 물과 그 온도다. 오른쪽 화면은 물이 데워지는 과정을 기록하고, 그 아래에 열소의 셈이 있다. 이론상 포신의 열소 저장량은 유한하다. 막대는 그 저장량이 이미 얼마나 줄었어야 하는지 보여 준다. 시간은 120배 빠르다: 1초가 2분이다. 20 s 동안 아무것도 건드리지 않으면 실험이 저절로 시작된다.
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02 · 환산
| {n} | {v} | {note} |
칼로리는 여러 가지다. 열화학 칼로리는 정확히 4.184 J, 국제 칼로리는 4.1868 J, 15도 칼로리는 4.1855 J다. 차이는 1퍼센트의 10분의 몇 정도다. 정밀한 작업에서는 칼로리의 종류를 밝힌다 — 아니면 처음부터 줄로 쓰는 편이 낫다.
얼음과 끓는 물의 그램이 그 시대의 척도였다: 열은 그렇게 눈에 보였다. 얼음 1그램을 녹이는 데 79.7 cal, 100 °C에서 물 1그램을 증발시키는 데 약 540 cal. 김이 끓는 물보다 더 심한 화상을 입히는 것은 바로 이 540 때문이다.
03 · 크기의 차수
04 · 측정 기기
05 · 표기 규칙
06 · 이웃 단위
열소는 사라졌지만 유산을 남겼다. 카르노는 열소를 보존되는 것으로 보고 열기관의 한계를 이끌어 냈다 — 그 식은 지금도 맞다. 일과 열은 하나의 양임이 밝혀졌고, 열과 온도의 비에서 엔트로피가 자라났다.
07 · 역사 부문
열소 이론은 측정을 하나도 망치지 않았다: 열량계가 잰 것은 옮겨 간 열이지 물질이 아니었다. 그래서 라부아지에와 라플라스의 열용량 표는 이론보다 오래 살아남았다. 버려진 것은 보존이라는 전제뿐이고, 척도 — 칼로리 — 는 남았다.
칼로리는 물로 정의되었고 여러 판이 있었다: 15 °C의 것, 0에서 100 °C까지의 평균, 국제 칼로리. 1948년 국제도량형총회는 열을 줄로 나타내도록 권고했다. 칼로리는 식품 포장과 옛 편람에 남았다.
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