과     학

1.

열역학 제1법칙에 따르면 우주의 에너지는 불변한다. 에너지는 이전되고 변형될 수는 있으나 창조되거나 소멸할 수는 없다. 제1법칙은 에너지 보존의 법칙으로도 알려져 있다. 햇빛을 화학에너지로 바꿈으로서 초록식물은 에너지 변환자로 작용하지만 이들이 에너지 생산자는 아니다. 동물들도 에너지를 만드는 것이 아니라 음식물인 화학에너지를 운동에너지로 바꾸기만 한다.

2.

만약 에너지가 소멸될 수 없다면 왜 생물은 그들의 에너지를 몇 번이고 되풀이해서 간편하게 재활용할 수 없는 것일까? 매번의 에너지 이전과 변환 과정 동안 에너지 중 일부는 쓸 수 없는 에너지가 되어 일을 수행하는 데 사용할 수 없다는 것이 밝혀졌다. 살아 있는 세포 역시 화학반응을 수행하는 과정에서 조직적인 형태의 에너지를 불가피하게 열로 변환시킨다. 보다 따뜻한 위치에서 찬 위치로 열을 이동시키는 온도 차이가 있을 때에만, 계(系)*는 열을 일하는 데 사용할 수 있다. 만약 온도가 살아 있는 세포에서처럼 균등하다면 화학반응 동안에 생성된 열에너지는 생물과 같은 물체의 몸통을 데우는 데만 사용된다.

3.

에너지 이전과 변환 동안 유용 에너지 손실의 결과는 그러한 일이 우주를 더 무질서하게 만든다는 것을 의미한다. 과학자들은 무질서 혹은 무작위성의 척도로서 엔트로피라고 불리는 개념을 사용한다. 더 무작위하게 배열된 물질 더미는 엔트로피가 훨씬 크다. 이제 우리는 열역학 제2법칙을 다음과 같이 말할 수 있다. 이전되거나 변환되는 모든 에너지는 우주의 엔트로피를 증가시킨다. 잉크 방울을 물에 떨어뜨렸을 때 잉크 방울이 물에 퍼지면서 우연히 어떤 모양을 만드는 것처럼 질서가 부분적으로 증가될 수 있다. 그러나 시간이 지나면서 무질서의 정도는 커진다. 이처럼 전체적으로 볼 때 우주의 무질서화는 막을 수 없는 경향이다.

4.

엔트로피의 개념은 어떤 과정들이 왜 발생하는지를 이해하는 데 도움을 준다. 어떤 일들은 자발적으로 발생하고 어떤 일들은 자발적으로 발생하지 않는다는 것을 우리는 경험상 알고 있다. 예를 들어 물은 자발적으로 낮은 곳으로 흐르며, 어떤 기계가 중력을 거슬러 물을 퍼 올리는 때처럼 에너지의 공급이 있을 때만 높은 곳으로 이동한다. 따라서 열역할 제2법칙을 달리 설명하면 어떤 과정이 자발적으로 일어나기 위해서는 우주의 엔트로피가 증가되어야만 한다고 말할 수 있다.

 

* 계(系) : 관심의 대상이 되는 우주의 한 부분. 계를 제외한 나머지 우주를 주위라 부름. 계는 일정량의 물질과 공간을 포함해야 함. 주위와 물질 및 에너지 교환이 불가능한 '고립계'와 주위와 에너지는 교환할 수 있으나 물질은 교환할 수 없는 '닫힌계', 주위와 물질 및 에너지를 교환할 수 있는 '열린계'로 분류됨.

◆ 2015년 3월 사설모의고사(대성), 국어B 독서 영역 ‘과학’지문

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