3. 열량(heat)

앞에서 언급한 바와 같이 신체의 열 감각은 온도 뿐만 아니라 열량과도 연계되어 있다. 온도를 정확하게 측정할 수 있게 되어 비로소 열량(heat)의 개념이 명확해졌다. 온도와 열량의 차이를 처음으로 발견한 사람은 블랙(Joseph Black 1728-1799)이었다. 

1761 년에 그는 얼음-물 혼합체에 열을 가해도 온도에 변화가 없음을 관찰하였다. 이때 얼음이 물로 녹으면서 계에 가해진 열량이 숨어버린다는 의미에서 이를 잠열(latent heat)라고 명명하였다. 이 발견은 바로 열량계(calorimeter)의 발명으로 이어지게 된다. 

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1782 년에 라보아제와 라플라스는 단열 용기와 온도계로 구성된 열량계를 발명하였다. 화학반응에서 발생한 열량으로 인해 얼음이 얼마나 녹았는지를 측정한 다음, 블랙이 측정한 잠열의 값을 이용하여 발생한 열량을 측정하였다. 

열의 정체는 무엇일까? 우리는 얼음이 녹을 때 열이 물에서 얼음으로 이동하였다고 생각한다. 라보아제는 이때 이동한 것이 칼로릭(caloric)이라는 가상적인 유체라고 제안하였다. 칼로릭은 높은 온도의 물체에서 낮은 온도의 물체로 이동하는 성질을 가졌다고 생각하였다.

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열을 설명하는 다른 이론으로는 운동학 이론이 있었다. 이 두 이론은 당시에 동등한 것으로 간주되었다. 칼로릭의 개념은 초기 열기관의 발명 과정에서 유용하게 사용되었지만, 최종적으로는 운동학 이론에 흡수되었다. 

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열을 운동학 이론으로 이해하려는 생각은 기원전 50 년 경부터 시작되었다. 로마의 철학자 루크레시우스는 물질이 빠르게 운동하는 원자들로 구성되어 있다고 생각하였다. 1738 년 베르누이는 기체의 운동학적 모델을 제시하였다. 

1. 기체는 수많은 분자들로 이루어져 있으며 분자들은 제각기 모든 방향으로 운동하고 있다. 

2. 우리가 느끼는 압력은 공기 분자들이 벽에 충돌하면서 생긴다.

3. 열은 공기 분자들의 운동에너지이다.

그러나 그 당시에는 아직 에너지 보존 법칙이 아직 확립되기 전이었기 때문에 이와 같은 이론은 즉시 받아들여지지 않았다. 

럼포드 백작(1753-1814)은 다양한 경력의 소유자였다. 그는 대포의 포신을 깎을 때 나오는 열이 무진장하며, 포신에 가해진 것은 마찰 운동 밖에 없음에 주의하였다. 이때 포신 자체에 생기는 변화가 없기 때문에, 열은 칼로릭의 이동이 아니라 마찰 운동의 결과라고 주장하였다. 그러나 그는 정량적으로 열량을 측정하지 않았으며, 열과 운동에너지 사이의 관계를 더 밝히지 않았다. 그 이전에도 운동학 이론을 주장한 사람들로는 Francis Bacon, Robert Boyle, Robert Hooke, John Locke, Henry Cavendish 등이 있다. 

1841 년에 이르러서야 쥴(James Prescott Joule 1818-1889)이 쥴의 제1법칙을 발표한다. 그는 부유한 양조업자였는데, 그의 주관심은 양조장에서 사용하는 증기기관보다 전기모터가 더 경제적인 것인지였다. 그의 제1법칙은 전류에서 발생하는 열의 일률이 전류의 제곱과 저항에 비례한다는 것이었다. 1843 년에 그는 전류로 인해 발생한 열이 다른 곳에서 흘러온 것이 아니라는 것에 주목한다. 이는 칼로릭이 생성되거나 소멸되지 않고 오직 이동할 뿐이라는 가정에 어긋나는 것이었다. 

1843 년에 쥴은 전기 모터 실험에 기반하여 1 cal 의 열량, 즉, 1 g 의 물을 1 K 만큼 덥히는 데 필요한 열량이 4.1868 J 의 에너지에 해당된다는 실험 결과를 발표한다. 아무도 그의 발표에 반응을 보이지 않았다. 1850 년에 쥴은 역학적 실험 장치를 사용하여 1 cal 이 4.159 J 에 해당한다는 향상된 실험 결과를 발표하였다. 

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1847 년에 옥스포드에서 쥴의 발표가 있었다. 참석자 중, 스톡스는 쥴에게 찬성하는 편이었고, 패러데이는 매우 충격을 받았으며 믿기 어려워하였다. 윌리엄 톰슨(켈빈 경)은 매우 흥미롭게 생각했지만 회의적이었다.

1852 – 1856 년에 걸쳐 쥴과 켈빈은 서로 의견을 주고 받으면서 협력 연구를 지속하였다. 쥴이 실험한 결과를 켈빈이 분석하고 또 추가 실험을 제안하였다. 이는 쥴의 실험 결과와 운동학적 이론이 확립되는데 많은 기여를 하였다.