'줄의 법칙'이란?

Home - SCIENCE WAVE

 

 

열과 일에 대한 ‘줄(Joule)의 법칙’

 

 

미국의 물리학자 벤저민 톰슨((Benjamin Thomson 1753-1814, 일명 럼포드 백작)은 1798년에 "기계적인 일은 열로 변화될 수 있다."고 밝혔다(럼포드의 이론 참조). 톰슨의 이러한 주장을 인정한 영국의 물리학자 제임스 프레스코트 줄(James Prescott Joule 1818-1889)은 ‘얼마만큼 기계적 일을 하면 얼마큼의 열이 날 수 있는지’ 밝히기 위해 1,000번도 더 되는 정밀한 실험을 미친듯이 했다. 결국 그는 ‘줄의 법칙’(Joule's Law)으로 불리는 다음과 같은 결론에 이르렀다.

 

“일정한 양의 일은 특정한 양의 열을 생산한다.”  이러한 정의를 ‘줄의 일과 열의 등가(等價 equivalent)’라 한다.

 

그가 행한 실험 중에는, 일정한 용기에 물을 담고, 그 속에 물레바퀴를 담근 상태로 물레바퀴를 돌렸을 때, 물과 바퀴의 마찰로 얼마나 물의 온도가 오르는지 측정한 것이 있다. 실재로 물과 물레바퀴의 마찰에 의해 수온이 조금 상승했다. 줄은 어찌나 실험에 열중했는지, 스위스로 결혼 여행을 가면서도 실험용 온도계를 가지고 가, 알프스의 폭포 위와 폭포가 떨어지는 곳의 수온 차이를 비교하기도 했다.

 

줄은 양조장 집안의 아들이었다. 그는 15살 때 양조 기술을 배우면서 정밀한 측정법을 여러 가지 알게 되었다. 그가 실험을 통해 열의 변화를 잘 측정할 수 있었던 것은 이때 익힌 기술 덕분이었다. 오늘날 그의 이름은 일과 에너지의 양을 나타내는 국제단위인 줄(J : joule)이 되었다. 4.18줄의 일은 1칼로리의 열에 해당한다.

 

모래 속으로 물이 흘러 물과 모래가 마찰해도 열이 발생한다. 이와 마찬가지로 도체 속으로 전류가 흐르면, 전자와 도체 입자가 충돌하여 열을 발생시킨다. 이때 발생한 열은 전기에너지가 열에너지로 변한 것이다.

 

줄은 1840년대에 이 문제를 실험하여 ‘줄의 법칙’을 발표했다.

 

“도체에 전류가 흘렀을 때 발생하는 열량은 전류의 제곱과 도체의 저항을 곱한 것에 비례한다.”

 

Q = I² × R × t  (Q는 열량, I는 전류, R은 저항, t는 전류가 흐른 시간)

 

위의 줄의 법칙은 ‘줄-렌즈의 법칙’(Joule-Lenz Law)이라고도 불린다. 러시아 태생의 물리학자 하인리히 렌즈(Heinrich Lenz 1818-1889)도 독창적으로 1842년에 이 법칙을 발견했기 때문이다. 줄은 양조 기술자였기 때문에 그의 업적은 쉽게 인정받기 어려웠다. 그러나 켈빈(Kelvin) 경이 그의 능력을 발견하게 되면서 과학계에 알려지게 되었다. 그는 켈빈 경과 함께 절대온도(절대온도 참조)에 대한 정밀한 연구도 했다.

 

 

중요한 자연의 법칙 200