Ch. 5 베이컨과학 1. 원자론과화학 2. 열역학 3. 광학 4. 전기와자기 1
18c-19c 역사연표 1728-1772 백과전서 출간 * 1769 Watt 증기기관개량 à 산업혁명 1776 미국독립선언 1789 프랑스대혁명시작 1804 Napoleo 황제즉위 (-1814), 1806 신성로마제국멸망 1840 아편전쟁 1848 Karl Marx 공산당선언발표 1859 다윈 종의기원 발표 1868 일본메이지유신 1871 독일제국건국 : Wilhelm I & Otto vo Bismarck 1894 청 일전쟁, 1904 러 일전쟁 * 백과전서혹은과학, 예술, 기술에관한체계적인사전 (Ecyclopédie, ou dictioaire raisoé des scieces, des arts et des métiers) 2
Newto 이후 계몽기 (19 c) 뉴턴의역학법칙수립으로천체를포함한모든운동이수학적, 기계적으로설명됨. (1687) à 생물학, 철학을포함한계몽운동전반에영향. 그러나당시에전기, 자기, 열등의과학은실험에바탕을둔정성적과학에머물렀다. ( 연금술을갓벗어난화학도마찬가지 ) 이들 베이컨과학 은 18 세기말부터정량화되기시작하여 19 세기말까지 물리과학의완성 을선언할수준까지급격히발달하였다. à 모든물리현상에대해명쾌한설명!(??) 3
Ch. 5-1 원자론과화학 고대그리스의물질론 à 19 세기의원자론 데모크리토스의원자 더이상분리할수없는만물의기본 buildig block. 가설로서몇몇자연현상을설명하였다. 아리스토텔레스 : 4 기본요소 ( 공기, 불, 물, 흙 ) 가결합하여물질이이루어지며, 그이후는기본요소의흔적이없어짐. ( 예 : 석회석 ; CaCO 3 ) 현대적인원소개념을몰랐으므로연금술을추구함. ( 예 : 아연과구리 à 금 ) : Aristotle s atomic mess 17c 유럽의화학수준 : 철은붉은행성인화성의지배를받는다. 화학반응은물질들이서로좋아해서 (feel sympathy) 이며, 반응하지않는것은싫어해서 (abhor) 이다. 화학의해답은원자에있었다. 이후화학은 18 c 에크게도약함. 원자론은 19 c 에도지속되어물리학에연결됨. 4
근대원자론의배경 Evagelista Torricelli (1608-1647): 수은주실험, 기압계 (barometer) 발명 ( 기압의단위 Torr) 진공 Otto vo Guericke (1602-1686): 공기펌프발명, à 진공의존재증명 Robert Boyle (1627-1691): 보일의법칙 (PV= 일정 ), 이후에 이상기체상태방정식 으로발전 (+ Charles) 760 mm Daiel Beroulli (1700-1782): 기체운동론 으로보일의법칙을증명하였으나당시에는인정받지못함. 5
Robert Boyle (1627-1691) 최초의화학자 ( 연금술에서탈피 ) 공기의탄성 : PV = 일정 ( 보일의법칙 ) 진공실험, 진공속의벨소리실험. 화학을갈릴레이의물리처럼기계적인세계관의일부로수립하고자함. sympathy,, abhorrece 등의연금술적인개념파기. The Skeptical Chemist 출간 : 원소와화합물개념도입. 불과생물의호흡모두 산소 (?) 필요. 성냥발명. 6
베르누이의기체운동론 (kietic theory of gases) N 개의입자가용기속에있다면확률적으로 N/6 개의입자가한쪽벽을두드린다. 충돌전후의입자하나의운동량변화는 2mv 이므로단위시간당운동량의변화 (= 힘 ) 는 F = Dp/Dt = (N/3)mv/(L/v) = (N/3)mv 2 /L A 따라서압력 P = F/A = (N/3)mv 2 /LA = (N/3V) mv 2 즉, PV = (N/3) mv 2 = 일정 Charles 이후 PV = NkT ( 보일 - 샤를의법칙 ) 온도 : 기체분자하나의평균운동에너지 KE = mv 2 /2 = (3/2) kt 7
근대화학수립 = 연소의이해 Georg Erst Stahl (1660-1734): 연소이론 phlogisto ( 그리스어원, flammable) Joseph Black (1728-1799): 이산화탄소발견 (CO 2 ), 고정공기 (fixed air) ; 아리스토텔레스의물질론을종결시킴. Mikhail Lomoosov (1711-1765): 금속에산을가하면가연성기체발생 = 플로지스톤! ( 수소 ) 물질보존의법칙주장. Joseph Priestley (1733-1804): purer air 분리성공 à dephlogisticated air = 산소. 마지막플로지스톤주의자 Hery Cavedish Atoie Lavoisier 8
Hery Cavedish (1731-1810) 로모노소프의 가연성공기 가별개의기체, 수소임을밝힘. 공기의 1/10 정도로가벼움. 이것이공기와반응하면물이된다. à 물은순수물질이아니다! 얼마나엄밀한실험을했나? - 수소와산소가 2:1 로결합 (2% 이내오차 ) - 공기중산소와질소제거후에도 1/120 이하로남는 거품 보고 à 120 년후 Ramsay 와 Rayleigh 가 Ar 발견 (0.93%) - 지구의질량측정 : 지구밀도값을 2% 이내로측정. 발표하지않은업적 : 쿨롱법칙, 옴의법칙등 9
라브와지에 Atoie Lavoisier (1743-1794) (Mosieur de Lavoisier ad his Wife, chemist Marie-Ae Pierrette Paulze) 현대화학의아버지 연소이론확립 : 연소는플로지스톤을내놓는것이아니라산소와결합하는것. 산화설명. 화학요론 (Traité Élémetaire de Chimie) 화합물의논리적명명법도입 ( 황산등 ) 화약위원회 à 나폴레옹전쟁에발판 Madame Lavoisier: 남편의조수이자공동연구자. 번역, 출간, 구명운동, 업적보존등. 프랑스대혁명 (1789-1794): Louis XVI 왕정을종식시킨민주혁명. 자코뱅당의공포정치 (1793-4) 로수만명희생. 후대일련의민주혁명의시행착오시작. 10
원자론의완성 Joseph Louis Proust (1754-1826): 질량비율일정법칙 - 혼합물과화합물의차이 Joh Dalto (1776-1856): 원자론 atoms, 원자량개념도입, 수소를기준으로산소는 7 (wrog! à 8). 물 = HO 로생각 à 모순 ( 수증기가산소보다무거워야함.) Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850): 기체의반응은간단한부피의비로결합 / 생성. 예 ) 수소 2 + 산소 1 à 수증기 2 Amedio Avogadro (1776-1856): 분자론, 2H 2 + O 2 à H 2 O 로 Dalto 과 Gay-Lussac 의결과를모두설명. Dmitri Medeleev (1834-1907): 원소의주기율표 ( 빈칸!) Albert Eistei (1879-1955): 1905 년꽃가루의브라운운동이분자의충돌임을밝히고아보가드로수추산. 원자 ( 분자 ) 실증! à 현미경관찰 : Erwi Müller (1955) Atoms! Ja! Atoms! 11
Brow 운동 12
돌턴의원소표 멘델레예프의주기율표 13
현대의원소주기율표 20c 초양자역학 à 화학결합설명 14
Ch. 5-2 열역학 (Thermodyamics) 라브와지에 : 열의정체는 열소 (caloric) 란유체이다. ( 라틴어 calor 는열을의미함.) Gabriel Fahreheit: 알코올 / 수은온도계발명. Thomas Newcome: 1712년최초의실용적인증기기관발명 James Watt: 1765 년증기기관효율개선 à 산업혁명 Joseph Black: 더운물과차가운수은의열평형관측 à 열과온도가다름을인식. 비열! (DQ = mc DT), 잠열발견. Bejami Thompso: 열이 caloric 이아님을밝힘. James Prescott Joule (1818-89): 열은에너지의한형태 ( 열역학제 1 법칙 -- 여러과학자동시발견 ) 15
온도 화씨, 섭씨, 그리고절대온도 degree Fahreheit : 실험실에서제공가능한최저온도를영점 (0 F) 으로 물이어는점 32 F와끓는점 212 F 사이를 180으로나눔 C = (F 32) (100/180) C: 섭씨온도 (degree Celsius) 0 C = 273.15 K (K: 절대온도, Kelvi) 16
Apollo 13 Astroaut Jim Lovell says I ll be walkig i a place where there s 400 F differece betwee sulight ad shadow. 질문 : 양달엔뜨겁고응달은차다는게정확히뭘까? 달위에서있는우주인이온도계를쥐고있다고하자. 달표면위진공의온도를재고있는걸까? 그렇다고하면어떤것이온도를가지고있나? 답 : 온도란분자들의평균운동에너지와관련한개념이므로진공에서온도란아무의미가없다. 양달, 응달에서온도는달표면의물체의온도이다. 만약온도계를들고있다면그온도계는자기자신의온도를재고있다. 17
인체는온도를어떻게느끼나? - 측정 알코올이나수은온도계 : 열팽창이용 열전대혹은반도체소자 : 접합양쪽에서전자의열운동차이 à전류 흑체복사 ( 열복사 ) 스펙트럼측정 à T = C / l(peak), ( 야시경, 체온계, 뱀과박쥐의적외선 (IR) 센서.) 포유류나인체의열감지 : 5감중촉각? 너무현상론적! (Touch is the sese of pressure perceptio, geerally i the ski. There are a variety of pressure receptors that respod to variatios i pressure.) - Thermoreceptor: 감각뉴런의감지말단부 ( 냉 / 온따로감지 ) - 다른감각경로처럼 Ca ++ /K + 이온대사와관련 ( 인체전류 ) - 아직연구중. 18
비열 19
Bejami Thompso, Rumford 백작 (1753-1814) 신대륙 ( 미국 ) 의메사추세츠출신 1775년미국을떠나 Bavaria에정착하여신성로마제국의작위를받음. (Graf vo Rumford) 포신을깍는과정에서열발생 à 열이 caloric이아님을밝힘. 라브와지에의미망인과결혼 이혼후파리에서연구하다죽음. ( 참고서적 : 존그리빈 과학, 김학수 말로물을끓인사람 ) 20
Joule 의실험 à 열 = 에너지 h 추의위치에너지 à 페달의운동에너지 à 열에너지 à 물의온도상승 에너지보존법칙 = 열역학제 1 법칙 열의일당량 : 1 cal = 4.186 N m (= J) 21
그러나정말 열 = 에너지 인가? 열이에너지와대등하다면 증기로엔진을돌리고, 이운동에너지는열로다시변환 à 다시엔진을돌림 à 2 종영구기관! Sadi Carot: 이상적인증기기관을만들어 2 종영구기관은불가능함을증명함 (1824). (* 증기기관발명 100 년후과학적연구 ) Ludwig Boltzma (1844-1906): 통계역학 * 엔트로피 : 무질서도 를측정하는양. (à 시사용어!) 시간이흐르는방향을정의함. ( 예 : 비빔밥이스스로밥과야채로분리되지않는다.) 뉴턴역학은시간의역전에대해가역적이나실제자연은 비가역적 이다. 22
절대온도 톰슨 ( 캘빈경 ) 등의원자론자들이정의 (degree Kelvi) 기체의경우샤를의법칙 (PV=NkT) 에서압력이영이되는온도가약 -273.15 C. K = C + 273.15 0 K 에서는원자 / 분자의모든운동이멈춘다. 23
열과일 24
카르노의가역열기관 25
비가역과정의예 물에잉크한방울을떨어뜨리는것. 유리병을깨뜨리는것. 폭탄이터지는것. 사람이늙어가는것. 비가역과정 à 엔트로피증가 26
열역학제 2 법칙 27
엔트로피 - 무질서도 28
열역학제 2 법칙 고립된계에서엔트로피는증가하거나그대로있다. 통계적인법칙 : 열역학제 2 법칙은한컵의물을바다속에부어버리면그한컵의물을다시얻어낼수없다. à 맥스웰의악마? 에너지는보존되지만우리가쓸수있는에너지는점점줄어든다. 29
볼츠만 Ludwig Boltzma (1844-1906) Wie 대학에서박사학위 ( 열역학제 2 법칙과역학의관계 ) 그라츠, 빈, 뮌헨, 라이프치히에서물리와철학강의 열평형연구, 맥스웰-볼츠만분포, 볼츠만인자 exp(-e/kt) 도입비평형수송이론, 기체론강론 저술 뉴턴역학으로부터열역학제 2 법칙유도시도. 통계역학확립 열역학 : 거시적인관점에서물질의열적성질을설명 통계역학 : 물질의열적성질을원자크기의미시적인관점에서설명 30
엔트로피 ( 미시적관점 ) 주사위두개를던질경우 : 두숫자의합은 2부터 12까지가능 : 거시적상태 (macrostates)- 11개 미시적상태 (microstates) 혹은겹침수 : 두주사위의가능한모든상태 36가지의경우 à 경우의수 W=36 볼츠만의새로운엔트로피정의 : S = k log W (k : 볼츠만상수 ) 31
엔트로피 분자가분포하는경우의수 * 기체분자두개가두방에분포하는방법. 오른쪽은칸막이를제거한후의상태이다. * 분자가두방에골고루분포하는경우의수는 W = 2 이므로엔트로피를계산해보면 S( 후 ) = k log 2 로, 칸막이가열리기전의엔트로피 S( 전 ) = 0 보다커진다. * 분자가 100 개만되어도 50:50 으로분포되는경우가 100:0 으로분포하는경우보다 10 29 배정도확률이높다. N = 10 23 개이면? 32
열역학제 2 법칙 열역학 2 법칙은많은알갱이로구성된계의분포상태가어떤경우에통계적으로가장확률이큰경우인지분별하는물리법칙이다. 33
Boltzma 분포, Maxwell-Boltzma 분포 Boltzma 분포 : N 1 ~ exp( E 1 /k B T ) 기체의속력분포 N 2 N 1 N 2 /N 1 ~ exp( DE/k B T ) 가벼운기체의대기권탈출? 34
현대의통계역학 원자, 전자, 광자등의미세입자들은구별불가능함. 양자역학에바탕을둔새로운통계역학탄생. 입자의 스핀 에따라양자상태를점유할수있는경우의수가달라짐. (Pauli 배타원리 ) 정수스핀 : Bose-Eistei 통계역학 반 (1/2) 정수스핀 : Fermi-Dirac 통계역학 à 현대고체물리학, 우주론등많은분야에응용 35