열기관의 효율에 대한 '카르노 이론'이란?

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열기관의 효율에 대한 ‘카르노(Carnot) 이론’

 

 

자동차, 비행기, 로켓 등의 엔진(기관 機關)은 모두 뜨거운 열의 에너지로 운동(일)하는 장치이므로, 열기관(heat engine)이라 부른다. 즉 열기관은 연료를 태워 생기는 열을 동력(動力)으로 변환시키는 장치이다. 열기관을 효율적으로 설계하여 만들면 소비하는 연료의 양에 비해 더 많은 힘(일)을 해낼 수 있다. 열기관의 일하는 효율을 ‘열효율’이라 한다. 

 

사람의 몸도 영양분(연료)을 연소시켜 그 힘으로 달리거나 일하므로 열기관의 하나이다. 열과 힘 사이의 관계를 연구하는 물리학 분야를 열역학(熱力學 thermodynamics)이라 부른다. 소량의 연료로 더 멀리 갈 수 있는 자동차를 개발하는 사람은 열역학의 전문가들일 것이다.

 

프랑스의 물리학자이며, 군사용 엔진 제작 기술자인 니콜라스 레오나르드 사디 카르노(Nicolas Leonard Sadi Carnot, 1796-1832)는 24세 때부터 증기기관의 열효율을 연구하기 시작하여 4년 후인 1824년에 <Reflections on the Motive Power of Fire>라는 책을 내면서, 그 속에 자신이 발견한 열역학 이론(Carnot Theorem)을 발표했다. 이때의 업적으로 카르노는 ‘열역학의 아버지’라든가, ‘열역학 제2법칙의 발견자’(열역학 제2법칙 참고)라 불리고 있다.

 

자동차의 엔진을 보자. 연료가 타서 연료 가스가 뜨거워져야 팽창하여 일(운동)하는 힘이 생긴다. 운동을 하고 나면 열은 다시 내려간다. 카르노는 '고온에서 저온으로 열이 내려갈 때 운동을 한다'는 것에 주목했다. 이것은 마치 높은 곳의 물이 낮은 곳으로 떨어지면서 수차(물레바퀴)를 돌리는 것과 마찬가지이다. 물이 떨어지는 높이가 높을수록 수차는 더 큰 힘으로 돌아간다. 마찬가지로 열기관도 열이 높을수록 큰 힘을 낸다. 이러한 관계를 연구하던 카르노는 ‘카르노 효율’, ‘카르노 사이클’, 또는 ‘카르노 이론’ 등으로 알려진 열역학 연구의 시초가 되는 중요한 발견을 했다.

 

“열기관이 일하는 효율은 열기관이 내는 온도의 범위에 따라 결정된다.”

 

카르노는 이론을 발표할 때, 열기관의 효율에 대한 수학적 계산도 매우 정밀하게 기록하고 있었다. 그의 업적이 얼마나 훌륭했는지는 줄(James Prescott Joule 1818-1889)의 연구가 발표된 1878년 이후에야 과학자들이 알게 되었다(줄의 법칙 참고). 카르노가 연구에 사용한 열기관은 증기로 움직이는 피스톤 엔진이었다.

 

 

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