영구 기관
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1. 개요
영구 기관은 외부 에너지 공급 없이 일을 하거나, 열 에너지를 기계적 일로 변환하는 장치를 의미하며, 고대부터 다양한 형태로 제안되었으나 과학적으로 불가능하다는 결론이 내려졌다. 열역학 제1법칙(에너지 보존 법칙)과 제2법칙(엔트로피 증가의 법칙)을 위배하기 때문에, 제1종, 제2종, 제3종 영구 기관 모두 구현될 수 없다. 겉보기 영구 기관은 외부 에너지원을 사용하거나, 에너지 손실을 간과하여 영구 기관처럼 보일 수 있지만, 실제로는 열역학 법칙을 위반하지 않는다. 영구 기관에 대한 믿음은 사기, 음모론 등 다양한 형태로 나타나기도 한다.
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| 영구 기관 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 명칭 | 영구 기관 |
| 영어 | Perpetual motion machine |
| 일본어 | 永久機関 (えいきゅうきかん) |
| 설명 | 외부 에너지 공급 없이 영구히 작동하는 가상의 장치 |
| 작동 원리별 분류 | |
| 제1종 영구 기관 | 외부 에너지 공급 없이 스스로 에너지를 생성하여 영구히 작동하는 기관 (열역학 제1법칙 위배) |
| 제2종 영구 기관 | 열에너지를 100% 역학적 에너지로 변환하여 영구히 작동하는 기관 (열역학 제2법칙 위배) |
| 제3종 영구 기관 | 마찰 등의 에너지 손실 없이 영구히 운동하는 기관 (고전 역학 법칙 위배) |
| 실현 불가능성 | |
| 근거 | 열역학 법칙, 에너지 보존 법칙 등 과학 법칙 위배 |
| 추가 설명 | 현재까지 영구 기관은 과학적으로 증명되지 않았으며, 실현 불가능한 것으로 여겨짐 |
| 역사 | |
| 기원 | 오랜 역사 동안 다양한 시도가 있었으나, 모두 실패 |
| 관련 인물 | 여러 발명가들이 영구 기관을 시도했으나, 성공한 사례는 없음 |
| 현대적 관점 | |
| 과학적 인정 여부 | 과학적으로 불가능한 개념으로 간주됨 |
| 연구 가치 | 과학 법칙에 대한 이해를 높이는 데 기여 |
| 오해 | |
| 오해의 소지 | 에너지 효율이 매우 높은 장치를 영구 기관으로 오인하는 경우 존재 |
| 정확한 이해 | 에너지 효율이 높은 장치도 에너지 손실이 발생하며, 영구히 작동할 수 없음 |
| 참고 | |
| 관련 개념 | 열역학 에너지 보존 법칙 시간 결정 (time crystal) |
| 추가 정보 | '시간 결정'은 영구 운동의 한 형태로 간주될 수 있지만, 기존의 영구 기관과는 다른 개념임 |
2. 역사
영구 기관에 대한 개념은 고대 그리스 시대부터 존재했으며, 인류가 사람의 일을 대신하는 기계를 만들면서부터 동력 공급 없이 영원히 작동하는 기계에 대한 관심이 시작되었다.
영구 기관의 역사는 과학, 특히 '에너지' 개념과 밀접하게 관련되어 있다. 과학적 개념으로서의 에너지는 19세기에 들어서야 확립되었고, 열역학 제1법칙(에너지 보존 법칙)도 19세기 중반에 널리 인정되었다. 이 법칙이 학계에 자리 잡은 후에는 물리학자들 사이에서 영구 기관을 만들려는 시도가 사라졌다.
그 이전에는, 인도의 수학자이자 천문학자인 바스카라(Bhaskara, 1114~85)가 1150년경 그의 저서에서 수은을 이용한 영구 기관을 언급했다. 이 아이디어는 아라비아를 거쳐 유럽으로 전해져 다양한 연구를 낳았다.
15세기 레오나르도 다 빈치는 마드리드 수기에서 영구 기관 연구자들을 비판하며, 영구 운동이 불가능함을 데생으로 표현했다.[62] 그는 영구 기관 연구를 "가치 없는 망상"이라고 언급했는데, 이는 당시 사람들의 높은 관심을 역설적으로 보여준다.
17세기 뉴턴의 운동 법칙 발표로 영구 운동과 영구 기관의 개념이 분리되었다. 이전에는 영원히 운동하는 물체로 영구 기관을 만들 수 있다고 생각했지만, 뉴턴의 법칙은 외부 힘에 의해 운동이 멈춘다는 것을 밝혔다.
19세기 줄, 헬름홀츠, 마이어 등에 의해 에너지 보존 법칙이 제안되면서, 영구 기관이 이 법칙에 위배되어 불가능하다는 것이 밝혀졌다.
에너지 보존 법칙 이후에도 과학 지식이 부족하거나 법칙을 인정하지 않는 사람들은 영구 기관 연구를 계속했다. 에너지가 보존되고 다른 형태로 전환 가능하다면, 한 번 쓴 에너지를 다시 회수하여 사용할 수 있다는 생각으로 제2종 영구 기관을 고안했지만, 이는 열역학 제2법칙에 의해 불가능함이 밝혀졌다.
2. 1. 영구 기관을 믿는 사람들
18세기 초, 오르피레우스는 자동바퀴를 이용한 사기극을 벌였다. 그는 지름 4미터의 큰 톱니바퀴에 네 개의 추를 달아 경사지게 설치한 장치를 만들었으나, 실제로는 사람이 숨어서 밧줄로 움직이는 가짜 영구 기관이었다.[63] 당시 상류층 후원자들을 상대로 사기를 쳐서 사치스러운 생활을 했다.19세기 중반, 에너지 보존 법칙이 널리 알려진 후에도 영구 기관을 믿는 사람들은 여전히 존재했다. 19세기 말 존 키리의 키리 모터 회사 관련 사기 사건이 그 예시이다. 존 키리는 사람들 몰래 장치에 에너지를 공급하여 많은 사람들을 속였다.
21세기 대한민국에서도 영구 기관 관련 사기 사건이 발생했다. 2007년 6월 SBS 뉴스 보도에 따르면, 연료 없이 무한대로 전기를 생산하는 발전기를 개발했다며 사람들을 속인 다단계 업체가 적발되었다.[63] 이들은 자동차 배터리로 작동하는 기계를 영구 기관이라고 속였다.
이처럼 영구 기관에 대한 믿음은 일확천금에 대한 욕망, 에너지 문제 해결에 대한 열망, 과학적 진리에 대한 불신 등 복합적인 요인에서 비롯된다. 일부 과학자들은 열역학 법칙이 깨질 가능성을 언급하기도 하지만, 이는 미시적인 세계에서나 가능한 일이며, 실생활에서 영구 기관이 사용될 가능성은 없다고 말한다.
3. 종류
영구 기관은 위배되는 열역학 법칙에 따라 분류된다.[17]
- '''제1종 영구 기관''': 에너지 투입 없이 일을 생산하는 기관으로, 열역학 제1법칙(에너지 보존 법칙)을 위반한다.
- '''제2종 영구 기관''': 열 에너지를 기계적 일로 자발적으로 변환하는 기관이다. 단일 열 저장소만 관련되며, 더 차가운 저장소로 열 전달을 수반하지 않고 자발적으로 냉각된다. 주기적 과정에서 열역학 제2법칙(엔트로피)을 위반한다.
- '''제3종 영구 기관''': 마찰 및 기타 소산력을 완전히 제거하여 영원히 운동을 유지하는 기관으로 정의되지만, 현실적으로 제작은 불가능하다.[18][19]
3. 1. 제1종 영구 기관
열역학 제1법칙에 위배되는 영구기관을 말한다. 에너지 보존법칙에 의해 어떠한 기관도 공급한 에너지보다 많은 일을 할 수 없다. 단열 상태가 아니라면 에너지 공급 없이 외부로 일을 하는 것은 불가능하다. 수차(물레방아) 모형이 제1종 영구기관의 대표적인 예인데, 이 영구기관은 떨어지는 물을 이용해서 수차를 돌리고 이 수차가 떨어진 물을 다시 위로 퍼올림과 동시에 외부에 일을 하도록 설계되어 있다. 수차는 물의 위치에너지를 이용하여 바퀴를 돌리고, 이 바퀴와 연결된 장치가 외부에 일을 하게 된다. 이때 물은 바닥으로 떨어지면서 위치에너지의 변화가 생기고 이 변화량의 일부가 일에 쓰인다. 수차 영구 기관이 실제로 작동하려면 떨어진 물을 계속 원래의 높이로 퍼올려야 하는데 이것이 에너지 보존법칙에 위배된다. 물을 원래 높이로 퍼올린다면 물의 위치에너지 변화는 없게 되므로 일에 쓰일 수 있는 에너지가 공급되지 않는다. 게다가 수차의 마찰과 저항에 의해 손실된 에너지가 존재하므로 물을 원래 높이까지 퍼 올리는 것부터 불가능한 일이다.[17]'''제1종 영구 기관'''(第一種永久機関, perpetual motion machine of the first kind영어)은 외부로부터 아무것도 받지 않고, 일을 외부로 내보낼 수 있는 기관이다. 이것은 열역학 제1법칙(에너지 보존의 법칙과 등가)에 위배되는 존재이다. 기관이 일을 하기 위해서는 '''외부로부터 열을 받거나''', '''외부로부터 일을 받아야''' 하며, 그것을 원하는 형태의 일로 변환할 수밖에 없지만, '''제1종 영구 기관은 아무런 에너지원 없이 저절로 에너지를 발생시키고 있다'''. 이것은 에너지의 증감이 내부 에너지의 변화라는 열역학 제1법칙에 제1종 영구 기관이 거스르고 있다는 것을 의미한다.
과학자, 기술자들의 정력적인 연구에도 불구하고, 제1종 영구 기관을 만들어 내는 것은 불가능했다. 그 결과 열역학 제1법칙이 정립되기에 이르렀다.
3. 2. 제2종 영구 기관
열역학 제2법칙에 위배되는 영구 기관을 말한다. 2종 영구 기관의 대표적인 예로는 바닷물의 에너지를 이용한 기관이 있다. 섭씨 10도인 바닷물도 열에너지를 가지고 있는데, 이 에너지를 뽑아내 기관을 작동시키고, 에너지를 잃은 바닷물은 버리는 방식이다. 바닷물은 무한하므로 기관은 계속 작동할 수 있을 것 같지만, 실제로는 불가능하다.[15][16]열역학 제2법칙에 따르면, 에너지는 유효한 에너지와 그렇지 않은 에너지로 나뉜다. 끓는 물의 에너지는 증기기관을 작동시킬 수 있는 유효한 에너지이지만, 바닷물의 에너지는 그렇지 않다. 바닷물을 냉각시켜 얼음으로 만들려면 외부에서 에너지를 투입해야 하며, 바닷물이 스스로 에너지를 방출하며 차가워지는 일은 일어나지 않는다. 즉, 열은 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로만 이동하며, 그 반대는 불가능하다.
제2종 영구 기관은 열 에너지를 기계적 일로 자발적으로 변환하는 기관이다. 열 에너지가 수행된 일과 같을 때는 에너지 보존 법칙을 위반하지 않지만, 주기적 과정에서 열역학 제2법칙을 위반한다. 제2종 영구 기관의 특징은 더 차가운 저장소로 열 전달을 수반하지 않고 자발적으로 냉각되는 단일 열 저장소만 관련된다는 것이다. 열을 유용한 일로 변환하는 것은 부작용 없이 열역학 제2법칙에 따라 불가능하다.
제2종 영구 기관은 "열효율 100%의 열기관"이며, 그 기계 자체를 에너지원으로 사용할 수 있는 것은 아니다. 제2종 영구 기관을 긍정하는 실험 결과는 없으며, 실현은 부정되고 있다. 제2종 영구 기관의 부정에 의해, "열은 온도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 흐른다"는 열역학 제2법칙(엔트로피 증가의 원리)이 확립되었다.
모든 열기관에서 최대 열효율이 1.0(100%) 이상이 되는 일은 결코 없으므로, 일에 의해 발생한 모든 열을 열원으로 회수하는 것은 불가능하다.
열역학 법칙이 확립된 이후에도 영구 기관이 "발명"되었다고 주장하는 경우가 있지만, 모두 사이비 과학이거나 출자금을 노린 사기이다.
3. 3. 제3종 영구 기관
마찰이나 저항 없이 영원히 운동을 계속하는 기관은 제3종 영구 기관이라고 부르지만, 현실에서는 존재할 수 없다.[18][19] 이상적인 진공 상태에서 회전하는 물체 등이 예시로 제시될 수 있지만, 완벽한 진공은 존재하지 않으며, 아무리 정밀하게 만들어도 미세한 에너지 손실은 불가피하기 때문이다.4. 과학적 불가능성
영구 기관은 외부로부터 에너지 공급 없이 영원히 작동하는 기계로, 오랜 시간 동안 인류의 관심을 끌어왔다. 하지만 열역학 제1법칙(에너지 보존 법칙)과 열역학 제2법칙에 의해 과학적으로 불가능하다는 것이 증명되었다.
레오나르도 다 빈치는 마드리드 수기에서 영구 기관을 연구하는 사람들을 비판하며, 영구 운동에 대한 연구는 헛된 망상이라고 언급했다.[62] 17세기 뉴턴의 운동법칙 발표 이후 영구운동과 영구기관의 개념이 분리되었다. 19세기에는 줄, 헬름홀츠, 마이어 등에 의해 에너지 보존법칙이 제안되면서 영구 기관의 불가능성이 명확해졌다.
19세기 중반 헨리 디릭스는 영구 기관 실험의 역사를 조사하여, 불가능하다고 믿는 것을 계속 시도하는 사람들을 비판했다. 그럼에도 불구하고, 과학을 잘 모르거나 에너지 보존법칙을 인정하지 않는 사람들에 의해 영구 기관 연구는 계속되었다.
4. 1. 열역학 법칙
고립계에서의 영구 기관은 열역학 제1법칙, 열역학 제2법칙, 또는 둘 모두를 위반한다는 과학적 합의가 존재한다.[17] 열역학 제1법칙은 에너지 보존의 법칙의 한 형태이다. 열역학 제2법칙은 여러 가지 방식으로 표현될 수 있으며, 가장 직관적인 것은 열이 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 자발적으로 흐른다는 것이다. 이 법칙은 모든 거시적 과정에서 마찰이나 그에 가까운 현상이 발생한다는 것을 관찰한다는 점에서 중요하다. 또 다른 표현으로는 열기관 (고온에서 저온으로 열을 이동시키면서 일을 하는 엔진)은 동일한 두 온도 사이에서 작동하는 카르노 기관보다 효율적일 수 없다는 것이다.다시 말해:
# 모든 고립계에서 새로운 에너지를 생성할 수 없다 (에너지 보존의 법칙). 결과적으로, 열효율 (생산된 일률을 투입된 가열 동력으로 나눈 값)은 1보다 클 수 없다.
# 열기관의 출력 일률은 항상 입력 가열 동력보다 작다. 공급된 나머지 열에너지는 주변 환경으로 열로 손실된다. 따라서 열효율은 카르노 효율에 의해 주어지는 최대값을 가지며, 이는 항상 1보다 작다.
# 실제 열기관의 효율은 비가역성으로 인해 카르노 효율보다도 더 낮으며, 이는 마찰을 포함한 과정의 속도에서 발생한다.
2와 3은 열기관에 적용된다. 예를 들어 기계적 에너지를 전자기 에너지로 변환하는 다른 유형의 엔진은 100% 효율로 작동할 수 없는데, 이는 에너지 소산이 없는 시스템을 설계하는 것이 불가능하기 때문이다.
비전통적인 에너지원에서 에너지를 얻어 열역학의 두 법칙을 모두 준수하는 기계는 때때로 영구 기관이라고 불리지만, 이러한 기계는 해당 이름에 대한 표준 기준을 충족하지 않는다. 예를 들어, 시계 및 콕스 시계와 같은 기타 저전력 기계는 밤낮의 기압 또는 온도 차이를 이용하여 작동하도록 설계되었다. 이러한 기계는 겉으로는 명확하지 않지만 에너지원을 가지고 있어 열역학 법칙을 위반하는 것처럼 보일 뿐이다.
해류와 같이 오래 지속되는 에너지원에서 에너지를 추출하는 기계조차도 에너지원이 불가피하게 소진되면 작동이 중단될 것이다. 이들은 외부 에너지원을 소비하고 고립계가 아니기 때문에 영구 기관이 아니다.
영구 기관의 한 분류는 기계가 위반하려는 열역학 법칙을 가리킨다.[17]
- '''제1종 영구 기관'''은 에너지 투입 없이 일을 생산한다. 따라서 에너지 보존 법칙인 열역학 제1법칙을 위반한다.
- '''제2종 영구 기관'''은 열 에너지를 기계적 일로 자발적으로 변환하는 기계이다. 열 에너지가 수행된 일과 같을 때는 에너지 보존 법칙을 위반하지 않는다. 그러나 주기적 과정에서 더 미묘한 열역학 제2법칙을 위반한다 (엔트로피 참조). 제2종 영구 기관의 특징은 더 차가운 저장소로 열 전달을 수반하지 않고 자발적으로 냉각되는 단일 열 저장소만 관련된다는 것이다. 열을 유용한 일로 변환하는 것은 부작용 없이 열역학 제2법칙에 따라 불가능하다.
- '''제3종 영구 기관'''은 질량 관성으로 인해 영원히 운동을 유지하기 위해 마찰 및 기타 소산력을 완전히 제거하는 것으로 정의된다 (이 경우 ''제3''은 위 분류 체계에서 위치만을 나타내며, 열역학 제3법칙을 의미하는 것은 아니다). 이러한 기계를 만드는 것은 불가능하며,[18][19], 시스템이 이 이상에 얼마나 가까워지든 기계적 시스템에서 소산은 절대 완전히 제거될 수 없다.
"인식적 불가능성"은 현재의 물리 법칙 공식 내에서 절대 발생할 수 없는 것들을 설명한다. "불가능"이라는 단어의 이러한 해석은 닫힌 계에서의 영구 기관의 불가능성에 대한 논의에서 의도된 것이다.[20]
보존 법칙은 수학적 관점에서 특히 강력하다. 1915년에 수학적 증명을 통해 노터의 정리가 증명되었는데, 이는 모든 보존 법칙이 물리 시스템의 작용에 해당하는 연속적인 대칭성에서 파생될 수 있다고 설명한다.[21] 에너지 보존과 동일한 대칭성은 물리 법칙의 시간 불변성이다. 따라서 물리 법칙이 시간에 따라 변하지 않으면 에너지 보존이 따른다. 영구 기관을 허용하기 위해 에너지 보존이 위반되려면 물리학의 기초가 변경되어야 한다.[22]
물리 법칙이 시간에 따라 불변하는지 여부에 대한 과학적 조사는 망원경을 사용하여 먼 과거의 우주를 관찰하여 측정이 가능한 한, 고대 별이 오늘날의 별과 동일한지 확인한다. 분광법, 과거의 빛의 속도에 대한 직접적인 측정 및 이와 유사한 측정을 결합하면 가시적인 시간 전체인 십억 년 동안 물리학이 동일하지는 않더라도 실질적으로 동일하게 유지되었음을 입증한다.[23]
열역학의 원리는 이론적으로나 실험적으로 매우 잘 확립되어 있어 영구 기관 기계에 대한 제안은 물리학자들에 의해 보편적으로 기각된다. 제안된 모든 영구 기관 설계는 물리학자들에게 잠재적으로 유익한 과제를 제시한다. 즉, 작동하지 않는다는 것을 확신하므로 '어떻게' 작동하지 않는지 설명해야 한다. 이러한 연습의 어려움(및 가치)은 제안의 미묘함에 따라 다르다. 최고의 제안은 물리학자 자신의 사고 실험에서 비롯되는 경향이 있으며 종종 물리학의 특정 측면에 대한 통찰력을 제공한다. 예를 들어, 브라운 운동 래칫을 영구 기관으로 하는 사고 실험은 1900년에 가브리엘 리프만에 의해 처음 논의되었지만, 마리안 스몰루초프스키가 작동하지 않는 이유에 대한 적절한 설명을 제공한 것은 1912년이었다.[24] 그러나 그 12년 동안 과학자들은 그 기계가 가능하다고 믿지 않았다. 그들은 그것이 불가피하게 실패할 정확한 메커니즘을 알지 못했을 뿐이다.
4. 2. 노터의 정리
노터의 정리는 1915년에 증명된 이론으로, 물리 시스템의 작용에 연속적인 대칭성이 존재하면 그에 상응하는 보존 법칙이 반드시 성립한다는 내용을 담고 있다.[21] 에너지 보존 법칙은 물리 법칙의 시간 불변성과 관련이 있다. 즉, 물리 법칙이 시간에 따라 변하지 않으면 에너지 보존 법칙이 성립한다.[22] 따라서 영구 기관이 존재하려면 에너지 보존 법칙이 깨져야 하며, 이는 물리학의 근본적인 변화를 의미한다.[22]물리 법칙이 오랜 시간 동안 변하지 않았는지 확인하기 위해 과학자들은 망원경을 사용하여 먼 과거의 우주를 관측해왔다. 분광법, 과거의 빛의 속도 측정 등 다양한 방법을 통해, 수십억 년 동안 물리 법칙은 실질적으로 동일하게 유지되었다는 사실이 밝혀졌다.[23] 이는 영구 기관이 불가능하다는 것을 간접적으로 보여준다.
5. 겉보기 영구 기관
실제로 작동하며, 겉보기에는 영구 기관처럼 에너지가 생성되는 것처럼 보이는 장치나 현상이 있다. 그러나 자세히 살펴보면 이것들은 영구 기관이 아님을 알 수 있다. 이러한 장치들은 대개 주변 환경의 미묘한 에너지 변화를 이용하거나, 매우 느린 속도로 에너지를 소모한다.
- '''물 먹는 새''': 새 모양의 장난감으로, 머리 부분에서 증발하는 물이 열을 빼앗아 새의 상하 온도 차이를 유지한다. 이 온도 차이로 인해 내부 액체가 이동하며, 새가 시소처럼 움직인다. 물이 모두 증발하거나 습도가 100%가 될 때까지 작동한다.[36]
- '''모세관 현상 기반 물 펌프''': 로버트 보일이 고안한 "모세관 그릇"의 경우, 모세관 현상으로 물이 튜브를 따라 올라가지만, 물이 방울져 떨어지는 것을 막는 응집력 때문에 영구적인 흐름은 불가능하다.[36]
- '''옥스포드 전기 벨''': 볼타 전지 배터리로 구동된다.[36]
6. 음모론
영구 기관은 사이비 과학으로 치부됨에도 불구하고 음모론의 초점이 되었으며, 저렴하게 에너지를 생산할 수 있는 에너지원이 공개될 경우 경제적 지배력을 잃게 될 기업이나 정부가 이를 대중에게 숨기고 있다는 주장이 제기되고 있다.[47][48]
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【第8回】燃える闘魂・アントニオ猪木の「見果てぬ夢」と「借金苦」の物語|リアルホットスポーツ
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