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에너지 이미 문제가 아니다.(공기엔진의 원리와 용도)
1. 발상의 전환으로 보는 에너지 문제
에너지란 무엇인가
우리는 우리에게 주어진 주변 환경 속에서 의식주의 문제를 해결하면서 끝없이 새로운 것을 추구하며 살아가고 있다.
우리가 왜 살아가야 하는지는 다음 기회에 따지기로 하자. 여기서 살펴보고 싶은 것은 ‘우리가 살아가려면 무엇이 필요한가’이다.
우리가 살아가는데는 여러 가지 재화가 필요한데 어떤 것은 유형의 물질의 형태인 재화이고, 또 다른 것은 무형의 ‘어떤 능력’이다. 이 ‘능력’을 우리는 일반적으로 ‘에너지’라 부른다. 에너지는 물질과 분리되어서는 존재할 수 없는 속성을 갖고 있다. 거시적이든 미시적이든 에너지는 ‘물질의 운동특성’으로 나타낼 수 있다. 그래서 에너지의 단위(單位)에는 질량의 개념이 포함되어 있다.
정리해서 말하면 에너지란 ‘물질의 위치 혹은 상태를 변화시킬 수 있는 능력’이다. 에너지는 우리말의 기(氣)와 통한다. 전기, 자기, 온기, 냉기, 생기 등 기(氣)가 들어가는 모든 단어는 에너지와 관계가 있다.
우리가 에너지를 충분히 확보할 수 있으면 물질에 관한 문제도 쉽게 해결된다. 인류의 역사는 에너지에 관한 기록이라고 해도 과언이 아닐 것이다.
불을 비롯하여 증기기관, 내연기관, 전기, 원자력 등 새로운 형태의 에너지원이 발견될 때마다 인류사는 변혁을 격게 되었다.
에너지는 인류의 역사와 생명을 떠받들고 있는 기초이다.
발상(發想)의 전환(轉換)
우리가 일반적으로 말하는 ‘비상식(非常識)’은 어떤 가치를 가지고 있을까?
절대적인 사실 하나가 비상식의 가치를 증명해준다. 그것은 바로 ‘새로운 발견과 발명은 반드시 비상식적인 발상에서 출발한다’는 엄연한 사실이다.
상식적인 발상속에서는 새로운 것이 나올 수 없다. 또한 ‘모든 상식(常識)의 처음은 비상식’이었다. 따라서, 상식은 비상식을 토대로 형성된 것이다.
우리들은 상식에 벗어나는 발상을 배척하는 경향이 매우 크다. 그것은 한마디로 말하면 ‘사고의 게으름’이라고 할 수 있다.
혁신적이고 가치있는 새로운 것은 반드시 비상식에서 출발한다는 사실을 우리는 깊이 인식하여야 한다.
비상식은 ‘가치로운 상식’의 씨앗이다. 우리는 이 씨앗을 소중히 다루어야 한다. 이 씨앗은 상식을 뒤집어서 사고해 보는 ‘발상의 전환’이라는 가치로운 방법에 의하여 제공되는 것이다.
우리는 유연한 발상방법을 갖지 않으면 안된다. 발상의 전환을 이루지 못하면 격변하는 사회속에서 생존하는 것조차도 낙관적이지 못하다.
‘비상식적인 발상과 철저한 탐구’ 이것이 바로 새로운 가치를 창출해내는 유일한 방법이다.
상식의 어릴적 이름은 비상식이었다.
우리는 노망한 상식이 갓 태어난 유망주인 비상식이라는 아기를 학살하지 못하도록 보호하여야 한다. 그 아기가 어떤 훌륭한 인물이 될지 모르기 때문에 비상한 관심을 갖고 지켜보아야 한다.
비상식의 눈으로 우리 주위를 한번 둘러보자.
우리 주위에는 무한히 많은 재화가 존재한다. 단지 우리가 그 활용방법을 아직 잘 모르고 있을 뿐이다. 그것이 유용한 것인지를 판단하기 위하여 우리가 할 수 있었던 선택의 경우는 너무도 적었다. 그 사실은 우리에게 미지의 새로운 선택이 충분히 존재한다는 사실을 증명해 주고 있다. 재화가 부족하다는 우리의 상식은 매우 일천한 경험을 토대로 형성된 것이라는 사실을 간과하지 말아야 한다.
우리 주위에서 발견되는 에너지 중에서 난로에서 나오는 열기나 통제권안에 들어있는 전기 및 원자력처럼 우리가 원하는 것이 있는 반면에, 기계장치에서 불필요하게 발생하는 열이나 벼락 및 방사능처럼 우리가 원하지 않는 것도 있다. 엄격히 말하면 에너지라는 존재는 인간의 소망에는 전혀 관심을 갖지 않고 있다. 우리가 원하든지 원하지 않든지 에너지는 존재하고 작용할 따름이다. 인간이 에너지를 잘 사용하려면 에너지의 특성을 잘 파악하여 통제하는 길 밖에는 없다.
에너지는 그저 존재할 뿐이다. 여기에 우리는 상식이라는 불완전한 도구로 에너지를 좋은 에너지와 나쁜 에너지로 구분하는 ‘감정이입’을 해서는 안된다.
2. 에너지원을 잘 이용하는 방법
에너지보존의 법칙
우리가 에너지에 관하여 매우 익숙한 개념으로 에너지보존의 법칙(열역학 제1법칙)이라는 것이 있다. 이 법칙의 내용은 ‘에너지가 여러가지 형태로 바뀌어도 우주에 존재하는 에너지의 총량에는 변함이 없다’는 것이다. 즉, ‘절(寺)간 안에 있는 고깔이 어디가랴’하는 우리의 속담을 연상하면 좋을 것이다.
우리는 흔히 ‘에너지를 소비한다’ 또는 ‘에너지를 절약한다’는 말을 쓴다. 이 말들은 어떤 의미를 가지는 말들일까?
우리는 에너지가 하나의 형상에서 다른 형상으로 바뀔 때 이를 이용한다. 따라서 위의 말들을 다르게 표현하면 ‘에너지를 변환시킨다’ 또는 ‘에너지의 변환을 억제한다’는 말이 된다.
다시 말하면, 일반적으로 말해지는 ‘에너지를 소비한다’는 것은 에너지 자체를 없앤다는 것이 아니고 다른 형상의 에너지로 변환시킨다는 말일 뿐이다. 에너지의 총량에는 전혀 변화가 없는 것이다. 즉, 에너지를 ‘없애지는 못하였다’는 말이 되며, 에너지가 없어지지 않았으므로 재활용하는 것이 가능하다는 의미가 된다.
에너지보존칙은 우리에게 무한한 가능성을 제공해 주는 법칙이다.
에너지변환에 대한 새로운 사고방법
에너지 변환에 관하여 변환의 방향에 제한을 가하는 요소가 있다고 대부분의 과학자들은 믿고 있으며, 그것은 ‘열역학 제2법칙’이라고 말하고 있다. 열역학 제1법칙(에너지 보존의 법칙)이 에너지의 총량에 관한 법칙이라면 열역학 제2법칙은 가용에너지는 한정되어 있다는 것을 나타내는 법칙이라고 대부분의 학자들은 이해하고 있다. 즉, 열역학 제2법칙의 존재로 인하여 우리는 에너지를 ‘구차하게’ 사용하지 않으면 안된다는 것이 많은 학자들에 의하여 옹호되고 있다.
그러면 우리의 에너지사용에 대한 욕구에 정면으로 도전하는 열역학 제2법칙이란 법칙은 도대체 어떠한 법칙인가?
‘하나의 열원에서 열을 받아 그것을 전부 일로 변화시키고 그 외에는 어떠한 변화도 일으키지 않은 채 연속적으로 작동하는 기관은 있을 수 없다’(1851년 L. Kelvin 또는 W. Tomson의 표현)’는 것이 열역학 제2법칙의 핵심이다. 다시 말하면 계에 어떠한 변화라도 남겨야만 단일열원으로부터 역학적 에너지를 얻어낼 수 있다는 것이 열역학 제2법칙이다.
열역학 제2법칙은 이것이 전부이다. 이 내용 이외의 군더더기가 붙는다면 그것은 열역학 제2법칙을 잘못 이해하게 하는 나쁜 영향만을 제공할 뿐이다.
많은 과학자를 포함한 일반인은 열역학 제2법칙 때문에 단일열원으로부터 역학적에너지를 얻을 수 없는 것으로 잘못 이해하고 있다. 열역학 제2법칙의 내용은 ‘외부에 어떠한 변화도 남기지 않을 경우’만을 강조할 따름이다.
어떤 변화를 남긴다면 ‘독립된 단일열원만을 에너지원으로 하는 열기관(엔진)을 만드는 것은 가능하다’는 것을 열역학 제2법칙은 강조할 따름이다.
모든 열역학자들의 확실히 통일된(?) 견해중의 하나는 단일열원(열낙차가 있는 다른 열원과 고립되어 있는 열원, 예를 들면, 동일한 온도와 압력의 공기의 집단, 동일한 온도의 바닷물의 집단 등)만을 에너지원으로 해서는 기계적에너지를 획득할 수 없다는 사실은 ‘논리적으로 설명할 수 있는 법칙’이 아니라 ‘아직 그러한 기관이 출현하지 아니한 것으로 보아 단일열원을 에너지원으로 하는 열기관은 만드는 것이 불가능 할 것으로 보인다’는 경험법칙이라는 견해이다. 이 견해를 좀 다르게 표현한다면 ‘여태까지 개발되지 않았으니 앞으로 출현할 수도 있다’라는 말이 된다.
우리는 잘못 해석한 열역학 제2법칙의 논리에 현혹되지 말아야 한다. 많은 수의 사람이 ‘주장’한다고 하여 자연법칙이 변화되는 것은 결코 아니다. 자연법칙은 다수결에 의해 정해지는 것이 아니다. 다수의 동조여부에 관계없이 있는 것은 있고 없는 것은 없으며, 되는 것은 되고 안 되는 것은 안 된다.
에너지원을 잘 이용하는 방법
우리가 사용하고 싶은 재화가 경제재(대가를 지불해야 획득할 수 있는 재화)라면 우리는 그 대가를 지불해야 하는 불편을 느끼지 않을 수 없을 것이며, 그것이 자유재(획득하기 위하여 돈을 지불하지 않아도 되는 재화)라면 우리는 편할 것이다.
우리가 원하는 재화가 모두 자유재라면 우리는 매우 행복할 것이다.
우리는 에너지를 필요로 한다. 에너지는 물질에 귀속되어 있다. 우리가 언제 어디서라도 획득할 수 있는 자유재이며 에너지를 갖고 있는 물질을 발견하고 그 물질로부터 에너지를 얻어낼 수 있다면 에너지문제는 문제로서의 자격을 상실하게 될 것이다.
그러한 자유재는 무엇일까? 그것은 바로 공기이다. 이제 우리에게 주어진 과제는 공기로부터 어떠한 방법으로 우리가 필요로 하는 에너지를 얻어낼 것인가라는 것 뿐이다. 재화는 찾았으니 방법만이 문제로 남게 된 것이다.
어떻게하면 우리가 애써서 발견한 ‘자유재인 공기’로부터 에너지를 얻어낼 수 있을까?
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