통계열역학

열역학과 통계역학은 대학에서 물리학, 화학, 생물학, 해양학, 화학공학, 금속공학, 재료공학, 기계공학, 생물공학 등 다양한 분야에서 기초과정으로 가르치고 있다. 공학에서 통계역학은 깊이 있게 다루어지지 않는 경우가 많다. 저자는 다년간 물리학과에서 열역학 및 통계역학을 가르치면서 두 분야를 융합하여 가르쳐야 하겠다는 생각을 하게 되었다. 그동안 학생들을 가르치면서 만든 강의록을 바탕으로 두 분야를 융합하여 통계열역학을 내놓게 되었다. 통계열역학은 대학교 물리학과의 3학년 또는 4학년에서 열역학 과목과 통계역학 과목으로 분리하여 가르치는 경우가 많다. 통계열역학이 역학, 전자기학, 양자역학과 함께 물리학을 이해하는 핵심과목임에도 불구하고 매우 소홀히 다루어지는 경우가 많다. 물리학과에서 통계열역학이 핵심(core) 과목임에도 불구하고 상대적으로 늦게 고학년 학생들에게 노출된다. 학생들의 입장에서 통계열물리학의 내용은 1학년 대학 물리학 또는 일반물리학 시간에 열현상에 대한 두 개 또는 세 개 정도의 챕터를 배울 뿐이고 3학년까지 관련된 내용을 접할 수 없다. 1학년 강의에서 열역학은 1학년 1학기가 끝나기 직전에 다루어지기 때문에 경우에 따라서 열역학 제2법칙과 같은 열역학의 핵심 개념을 학습할 기회를 잃곤 한다. 이러한 현실을 감안하여 이 책은 초반부의 열역학 부분을 1학년 대학물리학의 열역학 내용을 포함하여 조금 더 확장하고 통계역학의 내용을 포함하여 배울 수 있도록 구성하였다. 통계열역학에 대한 지식이 전혀 없더라도 내용을 따라갈 수 있도록 내용을 구성하였다.

책은 총 15장으로 구성되어 있으면 전반부인 1장부터 7장 정도를 첫 학기에 배우고 후반부인 7장부터 15장까지를 두 번째 학기에 공부할 수 있도록 구성하였다. 전반부는 열역학의 주요한 내용을 포함하였고 볼츠만 인자, 바른틀 분포함수, 분배함수의 내용을 포함하였다. 많은 경우에 통계열역학을 한 학기만 배우고 끝나는 경우가 있기 때문에 통계역학에 대한 개념을 모른 채 물리전공을 마치는 경우가 허다하다. 이러한 문제를 보완하기 위해서 열역학과 통계역학을 서로 융합하여 전반부를 구성하였다.

통계열역학에 대한 흥미를 더하기 위해서 매 챕터를 시작하거나 중간중간 열역학 및 통계역학의 발전에 기여한 과학자들을 소개하고 그들이 어떤 과정으로 통계열역학을 발전시켰는지 소개하려고 노력하였다. 열역학은 카르노, 메이어, 줄, 헬름홀츠, 클라우지우스, 켈빈, 맥스웰, 볼츠만, 깁스와 같은 학자들에 의해서 발전하였다. 볼츠만이 사망한 1906년경이면 열역학은 거의 완성되었다. 1905년에 네른스트가 열역학 제3법칙을 발표하였으므로 열역학 법칙은 20세기 초에 완성되었다고 할 수 있다. 볼츠만과 깁스에 의해서 발전한 통계역학은 양자역학이 도입되면서 큰 발전을 이룩하였다. 평형상태에 있는 거시계의 물리적 상태의 확률은 볼츠만 인자에 비례하며 계의 분배함수를 계산할 수 있으며 거시 물리량들을 분배함수의 미분으로 표현할 수 있다.

통계열역학은 방대한 분량 때문에 통계물리학자들이 최근에 어떤 문제에 관심을 가지고 있는지 소개하기 어렵다. 이러한 문제를 보완하기 위해서 매 챕터의 말미에 "재미있는 통계물리학" 코너를 마련하여 학생들이 가볍게 읽어볼 수 있는 내용을 포함하였다.

1. 온도와 볼츠만 분포

2. 열역학 제1법칙

3. 열역학 제2법칙과 엔트로피

4. 열역학 퍼텐셜과 열역학 관계식

5. 열역학계의 안정성과 상평형

6. 물질의 열적성질

7. 확률과 통계

8. 앙상블과 통계역학

9. 기체운동론과 운송현상

10. 고체의 자성과 상전이

11. 양자통계와 흑체복사

12. 고체의 비열과 포논

13. 보손가스

14. 실체기체

15. 막걷기

이재우 이재우

인하대학교 물리학과 교수
학위: KAIST, 통계물리학
연구분야: 통계물리학, 복잡계, 경제사회물리학