1-1. 기체 분자 운동론 — 온도와 압력의 미시적 기원

Kinetic Theory of Gases — The Microscopic Origin of Temperature and Pressure

지금까지의 이야기: 제4권 Chapter 1에서 우리는 열역학의 세계를 탐험했다. 온도, 열, 엔트로피, 그리고 열역학 법칙들을 배웠다. 그런데 이 모든 것은 거시적 관점 — 즉, 눈에 보이는 규모에서 온도계와 열량계로 측정할 수 있는 양들에 대한 이야기였다. 이제 우리는 완전히 다른 질문을 던진다: "온도"라는 것은 도대체 무엇으로 이루어져 있는가?

놀라운 질문으로 시작하기

지금 이 순간, 당신 주변의 공기를 생각해 보자.

조용하고, 투명하고, 아무 일도 일어나지 않는 것처럼 보인다. 그런데 만약 초능력으로 공기를 10억 배 확대해서 볼 수 있다면, 당신은 충격적인 장면을 목격하게 될 것이다.

수조(兆) 개의 질소 분자와 산소 분자가 총알보다 빠른 속도로 — 초속 약 500미터로 — 사방팔방 날아다니며 서로 충돌하고, 벽에 부딪히고, 방향을 바꾸고 있다.

1초 동안 하나의 분자가 약 50억 번 다른 분자와 충돌한다. 방 안의 공기 분자 수는 대략 $10^{26}$개, 즉 1 뒤에 0이 26개 붙는 숫자다. 이 엄청난 수의 분자가 미친 듯이 날아다니는 것이 바로 우리가 "조용한 공기"라고 부르는 것의 정체다.

놀라운 사실: 지금 당신의 피부에 부딪히는 공기 분자의 수는 매 초마다 $10^{23}$개 이상이다. 당신은 지금 이 순간에도 분자들의 총알 세례를 받고 있다. 그것을 우리는 "대기압"이라고 부른다!

여기서 정말로 놀라운 질문이 떠오른다:

"이 미시적 혼돈에서 어떻게 우리가 아는 깔끔한 거시적 법칙들 — 온도, 압력, 이상기체 법칙 — 이 나올 수 있는가?"

이것이 바로 기체 분자 운동론(영문: Kinetic Theory of Gases)이 답하려는 질문이다.