질량 보존 법칙의 형성과정

형성 과정

에너지는 창조될 수도 없고, 또한 창조될 수도 없습니다. 소멸되어서는 안 됩니다. 에너지 보존은 물질 운동의 보편 법칙 중 하나입니다. 물질 운동은 여러 가지 다른 형식이 있는데,그들 사이에는 서로 전환될 수 있습니다. 전환 전후에 물질의 운동 도량의 에너지로서 그 총합은 변하지 않습니다. 에너지 보존이라는 개념은 역학 분야에서 이미 물리학자에 의해 증명되었습니다. 그러나 이 보존 개념이 내능(열에너지)으로 뻗어나가는 데는 이삼백 년이 걸렸습니다. 열에너지에 대해서는 역사적으로 잘못된 인식이 있었습니다. 18세기부터 19세기 중엽까지 자연과학계는 오랫동안 열질론에 지배되어 왔습니다. 이런 단편적인 이론은 물질 속에 유체가 존재한다고 생각하는데, 이를 열질이라고 합니다. 온도차에 의한 전열을 고온의 물체에서 저온의 물체로 열질이 흐르는 것으로 간주하고 마찰생열은 열 방출의 결과로 간주합니다. 이 이론은 많은 실험 사실과 모순됩니다. 1798년 럼퍼드가 포통을 고안해 낸 열은 시추된 금속 부스러기의 양과 비례하지 않는 것을 관찰했고, 무딘 드릴로 시추를 계속하면 방출되는 열이 거의 무한정이어서 열질이 물질일 수 없다는 것을 보여줬습니다. 이후 H. 데이빗, J. 마이어, H. 헬름홀츠 등의 작업을 거쳤습니다. 특히 1840~1848년 동안 J. 자울이 진행한 열공당량 실험을 통해 사람들은 점차 열질이 존재하지 않음을 인식했습니다. 열의 전달이나 변환은 기계적 힘 및 전기적인 힘 등의 전달이나 변환과 마찬가지로 에너지의 전달이나 변환이며, 전달이나 변환 시에는 항상 에너지가 일정합니다. 그러면 에너지 보존은 보편적인 기초 위에서 확인됩니다.

1860년, 에너지 보존"곧 모든 자연과학의 초석이 됐습니다. 특히 물리학에서는 새로운 이론 하나하나가 에너지 보존 원리에 맞는지부터 검증해야 합니다. 그러나 원리의 발견자들은 양의 보존에 중점을 두고 법칙만 요약할 뿐 운동의 전환은 강조하지 않습니다.
20세기 초까지, 열력열량이 그대로 남아 있는 18세기의 정의는 열질설에 기초를 둔 것으로 열역학 빌딩의 초석 가운데 하나가 부실합니다. 이에 따라 1909년 C카라의 내부능력은 "어떤 물체나 물체계가 평형상태에서 하나의 상태함수 U를 갖고 있어 이를 내능이라고 한다"며 "이 물체가 제1상태에서 단열과정을 거쳐 제2상태로 넘어갈 때 그 내능의 증가는 외부에서 하는 것과 같다"고 재정의했습니다.

U2-U1 = W

 

이렇게 정의된 내적 에너지와 열량기계 에너지와 전자기 에너지만 관련돼 있습니다. 그제서야 열역학 제1법칙, 열역학 제2법칙 및 열역학 이론 전체가 열질설을 버렸습니다.

역사영향

 

부정영동기
영동기의 개념 발단이래인도에서 기원후 12세기에 유럽에 전래되었습니다. 유럽 최초, 가장 유명한 것으로 기록된 한 영동기 설계안은 13세기 프랑스 V. 헨네코가 제안한 것입니다. 영동기를 연구·발명하는 학자들이 많았지만 불가능하다는 학자들이 속출했습니다.
르네상스 시대 이탈리아학빈치는 영동기를 연구하는 데 많은 노력을 기울였고, 결국 영동기는 만들 수 없다는 결론을 얻었습니다. 동시대 J카단(삼차방정식의 뿌리를 최초로 풀어주는 것으로 유명함)도 영동기는 불가능하다고 봤습니다. 제1종 영동기는 에너지 보존 법칙에 어긋나고, 제2종 영동기는 열역학 제2법칙에 어긋납니다.
영동기에 대한 가능성이 없어지면서일부 국가의 특허청은 영동기를 발명한 특허출원을 더 이상 받지 않기로 했습니다.

 

경험적 표현
13세기, 사람들은 태동하기 시작했습니다. 영구기를 만들겠다는 소망을 발했습니다. 15세기에는 위대한 예술가, 과학자, 엔지니어 다빈치가 융동기 연구에 뛰어들었습니다. 1475년 다빈치는 역사적인 실패의 교훈을 진지하게 종합해 "영동기는 불가능하다"는 중요한 결론을 내렸습니다.  기계가 영원히 움직이지 못하는 것은 마찰과 관련이 있다는 사실도 깨달았습니다. 그래서 마찰에 대한 심도 있고 효과적인 연구를 진행합니다. 그러나 다빈치는 마찰이 기계운동을 가로막는다는 과학적 해석을 끝내 하지 않았고, 마찰(기계운동)과 열현상 간 전환의 본질적 연관성을 인식할 수 없었습니다.

 

갈릴레이가 설계한 제1종"영동기'
그 후 일부 학자들이 연이어 나왔습니다. '영동기는 불가능하다'는 결론을 내리고 과학 연구에 중요한 원리로 활용했습니다. 네덜란드의 수학역학자 S. 스테이븐은 1586년 이 원리를 응용해 스테이븐 사슬 분석을 통해 힘의 평행사각형 정칙을 먼저 끌어냈습니다. 갈릴레이는 관성의 법칙을 논증할 때도 이 원리를 응용한 바 있습니다.

1673년 C. 혜경스는 이런 관점을 책 '스윙워치'에 반영했습니다. 경사면 운동에 관한 갈릴레이의 연구 성과를 곡선 운동에 적용하여, 중력 작용에 의해 물체가 수평축을 돌 때, 그 질심은 그 아래로 내려갈 때의 높이 위에 오르지 않는다고 결론지었습니다. 따라서 역학적 방법으로는 영동기를 만들 수 없다고 결론지었습니다.

역사적으로 "영동기는"'만들 수 없다'는 이 원리가 과학 연구에서 눈부신 성과를 낸 것은 프랑스의 청년 과학자 카르노였습니다.
1824년 카르노가 출시했습니다. 카르노의 정리. 원리는 기계운동과 열질의 흐름에서만 작동하며 현대적 의미의 에너지 전환과 보존의 법칙이 아니라 기계운동에서의 에너지 보존의 경험의 총결산일 뿐, 법칙의 원초적인 형태입니다.

"1종 영구기는 불가"만들 수 있는 것은 열역학 제1법칙의 다른 표현입니다. 제1법칙이 확립되기 전에 많은 사람들이 에너지를 소모하지 않으면서도 작업할 수 있는 기계를 만들어 제1종 영구기라고 불렀습니다. 이러한 영구기를 만들려는 노력의 완전한 실패는 에너지 보존과 전환 법칙의 성립을 반대로 촉진시킵니다.

 

열력기계
1798년 미국인 C롱포드는 보링으로 포통을 만든 청동벽돌을 깎았을 때 금속벽돌이 뜨거웠습니다. 롱포드는 보링 드릴이 멈추지 않는 한 금속이 계속 뜨거워진다는 것을 알아차렸습니다. 결론적으로 보링의 기계적 운동은 열로 바뀌기 때문에 열은 운동 형태이지 물질로 인식된 것은 아닙니다. 롬포드는 기계에너지에서 발생하는 열을 일정량 계산해 처음으로 대략적인 열공량을 제시했습니다. 반세기 뒤 조엘은 정확한 수치를 제공했습니다.

1712년 영국인 T뉴커먼이 대기압 증기기관을 발명했습니다. 이 기계는 실린더와 피스톤을 가지고 있어 작업할 때 먼저 증기를 실린더로 끌어들입니다. 이때 실린더가 가스 공급을 멈추고 실린더 내에 물이 들어오고, 증기가 응결되어 실린더 내의 공기압이 빠르게 낮아져 물을 끌어 올릴 수 있습니다. 그 후 증기를 실린더에 넣고 다음 순환으로 들어갑니다. 최초의 이 증기기관은 1분에 10회 정도 왕복할 수 있어서,자동으로 작업할 수 있어서,광정의 양수작업을 매우 편리하게 할 수 있습니다.

J. 와트는 18세기 후에반엽은 증기기관을 개선했습니다. 그중 가장 중요한 것은 두 가지입니다. 하나는 콘덴서를 발명하여 증기기관의 효율을 높였다는 것이고, 다른 하나는 원심조속기를 발명하여 증기기관의 속도를 자유롭게 제어할 수 있다는 것입니다. 와트가 증기기관을 개선한 후에야 공업에서 보편적으로 사용되었습니다.

온도계의 발명
열에 관한 정확한 이론은 응당해야 합니다. 온도계를 만드는 것부터 시작합니다. 17세기 G 갈릴레이 등이 온도계를 만들기 시작했습니다. 온도로 사용하기 불편하여 후손들이 거의 사용하지 않습니다.
1714년 실용온도표 독일의 물리학자 D. 발렌해에서 수은을 온도계로 사용하기 시작하여 계속 개선하여 1717년 화씨온도표를 확정하였습니다. 과학자들은 화씨온을 물의 비등점을 212도로 하고 32도를 물의 빙점으로 정했다고 공식 확인했습니다. 이렇게 규정하면, 일반적인 온도는 가능한 한 음의 값을 취하지 않도록 하는 것입니다.
1742년부터 1743년까지 스웨덴의 천문학자 A 케르세우스는 섭씨 온도표를 고안해 표준 상태로 하수하는 결빙 온도는 0도, 물의 끓는점은 100도였습니다. 1948년 섭씨 온도표는 국제 도량형 회의에 의해 국제 표준으로 제정되었습니다.