[과학사] 하늘을 정복하기 위한 열기구 실험, 기체 팽창의 법칙을 발견하다

하늘을 날고 싶었던 열망이 만든 공식, 샤를의 법칙과 기체 팽창의 비밀

수소 기구 조종사 자크 샤를과 온도가 팽창시키는 기체의 마법

찌그러진 탁구공을 뜨거운 물에 넣으면 다시 팽팽하게 펴지는 마술 같은 현상, 다들 한 번쯤 보신 적 있으시죠?
온도가 올라가면 기체의 부피가 늘어난다는 이 너무나도 당연하고 일상적인 진리는, 사실 하늘을 날고자 했던 18세기 한 열기구 조종사의 목숨을 건 비행에서 시작되었습니다.

압력이 일정할 때 기체의 온도를 높이면 덩치가 커진다는 '샤를의 법칙(Charles's Law)'. 놀랍게도 이 위대한 법칙의 발견자 자크 알렉상드르 세사르 샤를(Jacques Alexandre César Charles)은 꽉 막힌 실험실에만 갇혀 있던 학자가 아니었습니다. 그는 무려 40만 명의 관중 앞에서 인류 최초로 유인 수소 기구를 타고 파리 상공을 날아오른 진정한 모험가였습니다.

STEP 01

몽골피에 형제와의 경쟁, 최초의 수소 기구 탄생

 

1783년, 프랑스의 몽골피에 형제가 뜨거운 공기를 이용한 '열기구'를 띄우는 데 성공하며 세상을 발칵 뒤집어 놓았습니다. 하지만 뛰어난 자연철학자이자 발명가였던 샤를은 뜨거운 공기 대신, 공기보다 훨씬 가볍고 부력이 강한 기체인 '수소'에 주목했습니다.

몽골피에 형제 가 1783년 파리에서 선보인 최초의 유인 열기구

Insight : 인류, 더 높이 더 멀리 날아오르다

샤를은 고무를 입힌 비단을 꿰매어 기구를 만들고 수소를 가득 채워 넣었습니다.

• 몽골피에 형제가 유인 열기구를 띄운 지 불과 열흘 뒤, 샤를은 파리 시민 40만 명이 숨죽여 지켜보는 가운데 유인 수소 기구 비행에 성공합니다.
• 그는 직접 기구에 탑승해 두 시간 넘게 하늘을 누비며, 고도에 따른 온도와 기압의 변화를 관측하는 대담한 과학 실험을 수행했습니다.

STEP 02

다섯 가지 기체로 밝혀낸 팽창의 비밀

기구를 타고 하늘을 날던 샤를은 자연스럽게 '기체가 온도에 따라 어떻게 팽창하고 수축하는지'에 깊은 호기심을 품게 되었습니다. 1787년경, 지상으로 돌아온 그는 수소, 산소, 질소, 이산화탄소, 그리고 일반 공기 등 다섯 가지의 서로 다른 기체를 채워 넣고 열을 가하는 정밀한 실험을 진행했습니다.

Insight : 기체의 종류에 상관없이 똑같이 늘어난다

샤를은 이 실험을 통해 물리학의 판도를 바꿀 놀라운 사실을 발견합니다. 기체의 종류가 무엇이든 간에, 압력이 일정할 때 온도를 똑같이 높여주면 모든 기체가 완전히 동일한 비율로 부피가 팽창한다는 것이었습니다. 열기구 조종사로서의 생생한 경험이 기체의 열팽창이라는 거대한 물리적 진리를 수학적 비례 관계로 끄집어낸 순간이었습니다.

STEP 03

논문 발표를 귀찮아한 천재와 아름다운 브로맨스

흥미롭게도 샤를은 이 엄청난 공식을 찾아내고도 관련 논문을 학계에 공식적으로 발표하지 않은 채 자신의 연구실 서랍 속에 방치해 두었습니다. 위대한 법칙이 자칫 역사 속에 영원히 묻힐 뻔했던 아찔한 상황이었습니다.

하지만 15년 뒤인 1802년, 동료 과학자인 조제프 루이 게이뤼삭(Joseph Louis Gay-Lussac)이 이 원리를 더욱 정밀하게 다듬어 학계에 발표하게 됩니다. 게이뤼삭은 자신이 최초 발견자로서 명예를 독차지할 수 있었음에도 불구하고, "이 기본 원리는 이미 1787년경 샤를의 미발표 논문에 기록되어 있었다"며 모든 공로를 샤를에게 돌렸습니다. 동료의 양심 덕분에 우리는 이 완벽한 비례 공식을 '게이뤼삭의 법칙'이 아닌 '샤를의 법칙'으로 기억하게 된 것입니다.

"기체의 종류는 중요하지 않다.
모든 기체는 온도가 올라가면 똑같은 비율로 춤을 추듯 부풀어 오른다."

더 높이 하늘을 날고자 했던 수소 기구 조종사의 낭만적인 모험심, 그리고 동료의 공로를 잊지 않고 이름을 헌정해 준 과학자의 아름다운 양심. 차가운 공식으로만 보이던 샤를의 법칙 속에는 이처럼 뜨겁고 인간적인 서사가 숨 쉬고 있습니다.

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