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개미 행동과 생태
케라파키스 비로이(Cerapachys biroi) 군체에 행한 통제된 실험에 따르면, 각 개미는 자신의 이전 경험에 따라 각자 개미집에서 역할을 선택함을 시사하고 있다. 실험에서 일개미 한 세대를 두 집단으로 분리하고, 이들이 찾아 얻을 수 있는 먹이는 통제했다. 한 집단은 계속 먹이를 얻었으나, 다른 집단은 확실히 그렇지 못했다. 그 결과 먹이를 얻은 집단은 먹이 찾기를 더욱 시도한데 반해, 그렇지 못한 집단은 위험을 감수하기를 더 주저하게 되었다. 한 달 뒤 먹이를 찾은 집단의 척후 개미는 계속 자신의 역할을 맡은 반면, 다른 개미는 알을 돌보는 일을 전문으로 맡게 되었다.
수많은 개미들이 복잡한 개미집을 건설한다. 그러나 방랑 생활을 하며 영속적인 개미집을 짓지 않는 종도 있다. 개미는 지하나 나무에 개미집을 건설한다. 개미집은 땅, 돌이나 나무 밑, 나무 안, 빈 줄기, 심지어 도토리 속에도 있다. 건축 자재로는 흙과 식물이 있으며, 개미는 신중하게 개미집 자리를 정한다. 템노토락스 알비펜니스는 죽은 개미가 있는 자리를 피하는데, 이런 곳에는 질병이 있을지도 모르기 때문이다. 이들은 위협 신호를 받으면 재빨리 지은 집을 버린다.
개미 행동과 생태
남아메리카의 군대개미나 아프리카의 장님개미는 영속적인 개미집을 짓지 않으며, 대신 방랑 생활을 하거나 일개미가 자신들의 몸을 서로 얽어매어 야영지를 짓는다.
베짜기개미(Oecophylla종) 일개미는 잎사귀를 이어 나무에 개미집을 짓는다. 일개미들이 서로 몸을 잡아 다리를 만들어서 잎을 잡아 당기고, 그런 다음 애벌레를 가져와 잎사귀 사이로 왔다갔다 명주실을 뽑아 연결한다. 폴리라키스(Polyrhachis)의 일부 종도 비슷한 건설 방식으로 집을 짓는다.
개미 행동과 생태
대부분의 개미는 잡식 포식자이자 죽은 생물을 처리하며, 간접적인 초식 동물이다. 그러나 그 밖에 특별한 영양 공급 방법을 발전시킨 개미도 있다. 잎꾼개미(아타속(Atta)과 아크로미르멕스속(Acromyrmex))은 자기네 개미집 안에서만 버섯을 재배한다. 이들은 계속 잎을 모아 자신의 군체로 가져와서 작은 조각으로 자르고 버섯 농장에 놓는다. 일개미는 크기에 따라 전문 직종을 나눈다. 가장 큰 개미는 줄기를 자르고, 더 작은 일개미는 잎을 씹으며, 가장 작은 개미는 버섯을 돌본다. 가위개미는 다른 식물에 버섯이 어떻게 반응하는지 알 정도로 섬세한데, 분명 버섯에서 나는 화학 신호를 감지하는 것이다. 혹 어떤 종류의 잎이 버섯에 독성이 있으면, 군체는 이런 잎은 모으지 않는다. 이들 개미는 공길리디아(gongylidia)라는 버섯에서 나온 것으로 먹고 산다. 이 개미 외부 표면에 있는 공생 박테리아는 버섯에 해가 되는 천적 박테리아를 죽인다.
개미 행동과 생태
척후 개미는 개미집에서 200m까지도 이동하며 보통 냄새로 돌아오는 길을 찾는다. 어떤 개미는 밤에 먹이를 찾으러 다닌다. 뜨겁고 건조한 지역에서 척후 개미는 낮에 탈수로 죽을 위험이 있으므로, 개미집에 돌아가는 능력은 이런 위험을 덜어준다. 낮에 사막개미(Cataglyphis fortis)는 다른 이동 신호와 함께 눈에 보이는 랜드마크를 이용한다. 랜드마크가 없으면 사막 개미와 매우 가까운 종인 사하라 사막개미(Cataglyphis bicolor)는 마치 내부에 보도계(步度計)가 있는 것처럼 자신이 어느 방향으로 몇걸음을 걸었는지 재서 길을 찾는다. 이들은 이런 정보를 수합하여 집으로 돌아가는 지름길을 찾아낸다. 이와 같이 방식으로 집을 찾아가는 것을 경로적분이라 하며, 이는 새와 곤충의 기본적인 길찾기 방법이다.이는 장소기억과 재정위 방식을 사용할 수 없는 환경에서도 사용된다.어떤 개미종은 지자기를 이용할 줄 안다. 개미의 겹눈은 태양에서 비추는 편광(polarised light)을 감지할 수 있는 세포가 있어서 방향을 감지하는 데 쓴다. 개미 편광 감지기는 빛 스펙트럼에서 자외선 부분에 민감하다.
개미 행동과 생태
일개미는 날개가 없으며 생식 능력이 있는 암캐미는 군체를 만들기 위해 결혼 비행을 하고 나면 날개가 떨어진다. 그렇기 때문에 말벌과 같은 개미의 조상과 달리, 개미 대부분은 걸어서 이동한다. 일부 종은 껑충 뛸 수도 있다. 가령 Jerdon's jumping ant(Harpegnathos saltator)는 중간 다리와 뒷다리를 함께 움직여 뛸 수 있다. 밀림개미(Cephalotes atratus) 등 활공할 수 있는 개미 몇몇 종은 나무에 서식하는 개미 대부분 가운데 이런 특성이 흔하다. 뛸 수 있는 개미는 떨어질때 착지 방향을 조절할 수 있다.
물이나 땅 식물 사이를 잇는 사슬을 만들 수 있는 개미도 있다. 어떤 종은 홍수 때 살아남기 위해 뗏목을 만들어 띄우기도 한다. 이런 뗏목으로 개미는 섬에 이동하여 정착할 수 있다. 오스트레일리아의 맹그로브 습지에서 찾아 볼 수 있는 가시개미속의 물개미(Polyrhachis sokolova)는 수영을 할 수 있으며, 물 아래 개미집에서 서식한다. 개미는 아가미가 없으므로, 물 밑에 개미집에 있는 배기 주머니에서 호흡을 한다.
개미 행동과 생태
모든 개미가 이런 사회를 이루며 사는 것은 아니다. 오스트레일리아 불독개미는 개미 중에서 가장 크고 원시적인 종에 속한다. 여타 대다수 개미와 마찬가지로 불독개미도 진사회성 종이지만 다른 종에 비해 사회적 행동이 별로 발달하지 않았다. 각 개체는 먹이를 찾을 때 화학 감지가 아닌 큰 눈으로 제각기 사냥을 한다.
어떤 종(Tetramorium caespitum 등)은 이웃 개미 군체를 공격하여 점령하기도 한다. 또 상대 군체를 침략하여 알이나 애벌레를 훔쳐 잡아먹거나 노예로 삼는 종도 있다. 아마존개미 등 노예잡이 개미 중에서 가장 극단적인 종은 스스로 먹이를 구할 줄 모르며 생포한 노예가 있어야 생존할 수 있다. 노예로 잡혀가는 템노토락스(Temnothorax) 일개미는 역(逆) 전략을 발전시켰는데, 자신을 노예로 삼은 프로토모그나투스 아메리카누스(Protomognathus americanus)의 암컷 번데기를 없애고 수컷(나중에 커도 노예 사냥에 나서지 않는)만 살려 둔다.
개미 행동과 생태
개미는 냄새로 동족과 같은 군체 동료를 알아보는데, 이 냄새는 탄화수소가 함유된 분비물에서 나는 냄새로, 이 분비물은 개미 몸 표면에 덮여 있다. 만약 개미 개체 하나가 자기 군체와 떨어져 있으면, 결국 군체의 냄새를 잃는다. 군체 특유의 냄새가 없이 들어오는 개미는 무조건 공격당한다.
기생 개미종은 숙주 개미의 군체에 들어와 사회 기생충처럼 행세한다. 스트루미게니스 크세노스(Strumigenys xenos)같은 종은 완전히 기생종이고 일개미가 없으며 대신 숙주 개미인 스트루미게니스 페르플렉사(Strumigenys perplexa)가 모아온 식량에 의존한다. 이런 기생은 여러 개미 종에서 찾아 볼 수 있는데, 기생 개미는 보통 숙주와 밀접하게 연관된 종이다. 기생 개미는 숙주 개미집으로 들어가기 위해 다양한 방법을 쓴다. 기생 여왕개미는 알을 까서 자신만의 군체 냄새를 형성하기 전에 숙주 개미집으로 들어간다. 어떤 종은 페로몬으로 숙주 개미를 혼란시키거나 이들을 속여 기생 여왕개미를 개미집으로 들여보내게끔 한다. 어떤 종은 아예 싸워서 개미집에 들어가기도 한다.
개미 행동과 생태
개미는 다른 개미종이나 곤충, 식물, 버섯 등 여러 생물종과 공생 관계를 맺고 있다. 공생 대상 생물은 여러 동물의 먹이감이며, 버섯도 있다. 어떤 절지동물은 개미집에서 얼마간 생활하는데, 개미나 그 알과 애벌레를 먹거나 개미가 모아놓은 먹이를 먹거나, 다른 포식자를 피하기 위한 것이다. 이런 공생 동물은 개미와 외모가 비슷하다. 개미 유사성(myrmecomorphy)은 여러가지가 있는데, 베이츠 의태(Batesian mimicry)의 경우 적의 공격을 받을 위험이 줄어든다. 바스만 의태(Wasmannian mimicry)를 하는 종도 있는데, 이것은 공생 동물과 비슷하게 보이는 것이다.
개미 행동과 생태
진디나 매미충, 뿔매미 같은 곤충은 수액을 먹으면 단물을 분비한다. 이런 단물의 당분은 고에너지 식량 자원이라 여러 종의 개미들이 이를 모은다. 어떤 경우 진디는 개미가 더듬이를 가볍게 치면 거기에 반응하면서 단물을 분비하기도 한다. 대신에 개미는 포식자를 막아주며, 목초지로 진디를 옮긴다. 새로운 곳으로 이출(移出)할 경우 계속 단물을 공급받고자 진디도 함께 데려가는 개미 군체가 많다. 개미는 단물을 수확하려고 쥐똥나무벌레도 기른다. 쥐똥나무벌레는 개미의 보호를 받으면 파인애플의 심한 해충이 된다.
개미와 친한(Myrmecophile) 부전나비과 유충을 개미가 기르는데, 낮에는 목초지로 이끌어 주고 밤에는 개미집 안으로 데려간다. 유충은 개미가 만져주면 단물을 분비하는 분비샘이 있다. 어떤 유충은 개미에 감지되도록 진동하고 소리를 내기도 한다. 또 어떤 유충은 개미와 친한 성질에서 개미를 잡아 먹는 성질(myrmecophagous)로 진화하기도 하는데, 이런 유충은 자신을 개미의 애벌레처럼 대해주도록 하는 페로몬을 개미에게 분비한다. 개미가 이런 유충을 개미집으로 데려다주면, 거기서 개미 애벌레를 잡아먹는다.
개미 행동과 생태
잎꾼개미 등 버섯을 키우는 개미(tribe Attini)는 주름버섯과(Agaricaceae)의 레우코아가리쿠스속(Leucoagaricus)이나 레우코코프리누스속(Leucocoprinus)의 버섯종을 재배한다. 개미와 버섯의 공생으로 두 종은 생존을 위해 서로를 의존한다. 알로메루스 데케마르티쿨라투스(Allomerus decemarticulatus) 개미는 숙주 식물 히르텔라 피소포라(Hirtella physophora, Chrysobalanaceae과)와 먹이 곤충을 잡는 데 쓰는 끈끈한 버섯과 더불어 3자간 관계를 맺게 진화하였다.
개미 행동과 생태
레몬개미는 침으로 주위 식물을 죽이고 레몬개미나무(Duroia hirsuta) 조각을 놓는다. 이렇게 숲을 변화시켜 개미는 이 나무 줄기에서 더 많은 개미집 터를 확보한다. 어떤 나무는 개미의 먹이가 되는 당액분비선(extrafloral nectaries)이 있어서 덕분에 초식 곤충의 공격으로부터  받는다. 중앙 아메리카의 쇠뿔아카시아나무(Acacia cornigera)같은 나무는 속이 빈 가시나무로프세우도미르멕스속의 개미(Pseudomyrmex ferruginea) 군체의 집이 되어 이들 덕분에 다른 곤충이 나무에 해를 끼치거나 포유류가 잎을 뜯어먹거나 착생 덩굴이 자라는 것을 막아준다. 동위원소 표지법(Isotopic labelling) 연구에 따르면 이런 식물은 공생 개미에서 질소도 얻는다고 한다. 보호의 대가로 개미는 단백질이 풍부한 벨트체(Beltian body)에서 먹이를 얻는다. 이러한 생태 공생의 다른 사례로는 마카랑가 나무(Macaranga)에도 있는데, 그 줄기는 꼬리치레개미(Crematogaster)의 집으로 적합하게 되어있다.
여러 열대 수종의 씨는 개미가 퍼뜨려 준다. 개미의 씨앗 퍼뜨리기(myrmecochory)는 아프리카와 오스트레일리아에서 특히 광범위하게 이루어진다. 불에 타기 쉬운 초지의 어떤 식물은 생존과 씨앗 퍼뜨리기를 위해 특히 개미에 의존한다. 개미가 퍼뜨리는 여러 씨앗은 바깥에 특별한 부속체(지방체, elaiosome)이 있어 개미의 먹이가 된다. 의태의 형태로 보이는 수렴진화는 대벌레의 알에서도 나타난다. 대벌레는 지방체와 비슷한 기관이 있어 개미가 대벌레를 개미집으로 옮겨주면 거기서 알을 깐다.
개미는 다른 개미종 등 여러 사회성 곤충에게서 먹이를 얻거나 잡아먹는다. 어떤 종은 흰개미(Megaponera와 Termitopone)를 잡아먹으며, 일부 배잘록침개미아과(Cerapachyinae)는 다른 개미를 잡아먹는다. 어떤 흰개미는 특정 개미종과 관계를 맺어 다른 포식성 개미를 막기도 한다. 열대지역의 말벌 미스코키타루스 드레우세니(Mischocyttarus drewseni)는 개미가 싫어하는 화학물질로 둥지의 꽃자루(pedicel)를 덮는다. 여러 열대지역 말벌은 나무에 둥지를 짓고 이런 물질로 개미의 침입을 막는다고 한다. 침이 없는 벌(Trigona와 Melipona)은 개미에 화학 물질로 방어를 한다.
구세계대륙의 검정파리과(Calliphoridae)의 벵글리아속(Benglia) 파리는 개미를 잡아 먹으며, 성충 개미의 턱에 알을 낳는 절취기생생물(kleptoparasite)이다. 날개와 다리가 없는 말레이시아 포리드 파리(phoride fly, Vestigipoda myrmolarvoidea) 암컷은 아이닉투스속(Aenictus) 개미의 집에 살면서 그곳 개미의 돌봄을 받는다.
동충하초(Cordyceps)는 개미를 감염시켜 개미가 식물 위에 올라가 식물 세포에 턱을 파묻게 만든다. 동충하초는 개미를 죽이고 그 사체에서 자라서 자실체(fruiting body)를 만든다. 동충하초는 개미의 행동을 변화시켜 자신의 포자를 퍼뜨리는 것 같다. 부채벌레목(Strepsiptera) 기생 곤충은 숙주 개미를 조종하여 풀 줄기에 올라가게 하여 자신이 짝을 찾는 데 이용한다. 선충(Myrmeconema neotropicum)은 밀림개미(Cephalotes atratus)를 감염시켜 검은색 배를 빨갛게 만든다. 이 기생 곤충도 개미의 행동을 변화시켜 자신의 배를 높이 들게 한다. 눈에 띄는 이 붉은 배때문에 새가 Hyeronima alchorneoides 와 같은 식물의 익은 열매로 오인하여 잡아먹게 된다. 그런 다음 새의 배설물을 다른 개미가 모아 어린 개미에 먹여서 선충이 더 널리 퍼지게끔 한다.
남아메리카의 덴드로바테스속(Dendrobates)의 독화살개구리(poison dart frog)는 주로 개미를 잡아먹는데, 독화살개구리 피부의 독소는 개미에서 나오는 것일 수도 있다. 몇몇 남아메리카 개미새(antbird)는 군대개미를 따라다니며 먹이를 찾는 개미 때문에 숨어있다가 나온 벌레를 잡아먹는다. 이런 행동은 한때 상리 공생으로 여겨졌으나, 나중에 연구로 보니 개미의 먹잇감을 뺏는 절취기생으로 판명되었다. 새는 앤팅(Anting)이라는 특유의 행동을 하는데 그 의미는 아직 확실히 밝혀지지 않았다. 앤팅이란, 새가 개미집에 앉아 개미를 줍거나 자신의 날개와 깃털에 놓아서 체외 기생충(ectoparasite)을 제거하는 것이다. 오스트레일리아의 개미핥기나 천산갑같은 몇몇 유대류 동물은 개미를 먹고 살게끔 특별히 진화하였다. 이러한 적응의 결과로는 개미를 잡도록 길고 끈적한 혀나 개미집을 부수게끔 강한 발톱이 발달하는 등이 있다. 큰곰도 개미를 잡아먹는데, 봄, 여름, 가을에 각각 큰곰의 배설물에서 개미 비중이 12%, 16%, 4%를 이룬다.
개미 개미와 인간
개미는 해충을 억제하고, 토양을 섞어주는 등 인간에게 여러모로 유익한 기능을 한다. 중국 남부에서 감귤류를 재배할 때 베짜기개미를 이용하는데, 이는 옛날부터 쓰였던 생물적 방제의 한 예이다. 그러나 개미는 건물에 침입하거나 여타 경제적 손실을 일으키기도 한다.
세계 일부 지역(주로 아프리카와 남아메리카)에서는 군대개미같은 큰 개미를 봉합 수술에 쓴다. 벌어진 상처 부위를 눌러서 모아 환부 위에 개미들을 놓는 것이다. 개미는 상처의 양쪽 가장자리를 큰턱으로 물어 봉합한다. 그 다음 개미의 몸통을 잘라내어 머리와 큰턱이 닫힌 상처 부위에 남겨놓는다.
침개미아과의 어떤 개미는 독액이 있어 의학에서 중요하게 쓰인다. 이런 종으로는 남아메리카의 총알개미(Paraponera clavata)와 디노포네라속(Dinoponera)과 오스트레일리아의 불독개미(Myrmecia)가 있다.
개미 개미와 인간
남아프리카 공화국에서 차에 쓰는 루이보스 수확에 개미를 이용한다. 이 식물은 씨앗을 널리 퍼뜨리기 때문에 손으로 수확하기가 힘들다. 검은 개미(black ant)는 개미집으로 이 씨앗과 다른 씨앗을 모으는데, 여기서 사람이 한번에 루이보스를 찾을 수 있다. 덕분에 한 번에 씨앗 200g를 얻을 수도 있다.
세계 각지에서는 개미와 개미의 애벌레를 먹는다. 에스카몰레스(escamoles)라는 멕시코 음식에서는 두 종의 개미 알을 주 재료로 쓴다. 이런 것은 '곤충 캐비아'의 한 형태로, 계절 음식인데다 찾기 힘들어 미국 달러로 1파운드당 40$(kg당 90$)로 팔리기도 한다. 콜롬비아의 산탄데르 주에서는 '오르미가스 쿨로나스'라 하여 죽은(꿀단지개미)를 디저트로 먹는다.
개미 개미와 인간
인도의 일부 지역과 버마 및 타이에서는 꿀단지개미를 짓이겨 커리 양념으로 쓰기도 한다. 꿀단지개미는 성충뿐 아니라 알과 애벌레도 타이식 샐러드인 yum(ยำ)에 쓰여 타이 북동부의 이싼 지역에서는 이 음식을 붉은 개미알 샐러드(yum khai mod daeng, ยำไข่มดแดง)라고 한다. 오스트레일리아의 자연 연구가인 사비유-캉(William Saville-Kent)은 "겉모습만으로는 초록이 얼마나 아름다운지 알 수 없다. 초록의 사탕과자처럼 반투명한 매력적인 모습 때문에 인류는 아마 꿀단지개미를 먹어보게 되었으리라."라고 썼다. 레몬을 짜듯 물에 넣고 짓이겨 만드는데, "노스 퀸즐랜드 원주민들은 이 꿀단지개미로 맛있고 신 맛이 나는 음료를 만들어 즐기며 매우 좋아했으며, 이것은 유럽인들 입맛에도 맞는다.".
존 무어(John Muir)의 〈시에라에서 보낸 첫 여름〉(First Summer in the Sierra)에서 그는 캘리포니아의 파이우트 족 사람들이 목수개미(carpenter ant)의 '신맛이 나며 씹히는' 검은 배를 먹었다고 썼다. 멕시코의 토착민도 꿀단지개미(Myrmecocystus)의 일개미를 모아서 먹었다고 한다.
개미 개미와 인간
어떤 개미종은 해충이기도 하다. 개미 군체의 적응 능력 때문에 완전히 소탕하기는 거의 불가능하다. 그리하여 해충 조절은 개미 군체를 제거하는 게 아니라 지역 주민들을 통제하는 문제가 돼버렸으며, 이런 시도는 대개 임시변통에 불과했다.
전세계적으로 해충으로 분류되는 개미로는 도로개미(Tetramorium caespitum. 주름개미속의 일종) 노랑미친개미(Anoplolepis gracilipes), 설탕개미(Camponotus consobrinus. 왕개미의 일종), 애집개미(Monomorium pharaonis), 목수개미, 아르헨티나 개미(Linepithema humile), 코코넛개미(Tapinoma sessile), 붉은불개미(Solenopsis invicta. 열마디개미의 일종), 유럽불개미(Myrmica rubra. 이름과는 달리 뿔개미의 일종)가 있다.
개미 개미와 인간
사람들은 개미의 개체 수를 조절하기 위해 과립이나 액체로 된 살충 미끼를 쓰기도 한다. 살충 미끼를 개미가 먹이로 알고 모아서 개미집에 가져가면, 영양교환(trophallaxis)를 통해 다른 군체 구성원에게 퍼져나간다. 인간에게는 상대적으로 안전한 붕산과 붕사도 살충제로 쓴다. 살충 미끼는 불개미처럼 넓은 지역을 장악하는 종을 조절하려고 널리 살포하기도 한다. 불개미의 개미집을 파괴하는 방법에는 냄새 길을 따라 개미집을 찾아내어 끓는 물을 부어 여왕개미를 죽이는 방법이 있다. 이 방법으로 개미집의 약 60%를 파괴할 수 있으며 각 개미집마다 14리터의 물이 필요하다.
개미 개미와 인간
개미학자는 실험실이나 자연에서 개미를 연구한다. 개미는 복잡하고 다양한 사회 구조 때문에 훌륭한 모델 생물이다. 1881년 존 러벅 경이 개미를 찾을 때 최초로 자외선광을 이용했다. 개미 연구는 생태학과 사회생물학에서 가설을 검증받으며, 특히 종족 선택(kin selection)과 진화안정이론(evolutionarily stable strategies)를 검증하는 데 중요하다. 개미 군체를 개미곽(formicarium) 안에서 기르거나 실험하기도 한다. 각 개미에 색깔을 표시하여 연구하기도 한다.
컴퓨터 과학과 로봇 공학에서는 분산 및 고장방지 문제 해결 시스템을 도출하기 위해 개미 군체에 쓰는 성공적인 연구 기법을 연구하였다. 이러한 생체공학 분야에서는 개미의 이동, "먹이를 찾기 위한 길"을 이용한 검색 엔진, 고장 방지 저장과 네트워크 알고리즘 등을 연구하게 되었다.
개미 개미와 인간
동화나 우화에서 개미는 대개 부지런하고 협동적인 성격으로 묘사된다. 종교 문헌에서도 개미가 등장한다. 성서의 잠언을 보면 개미는 노동과 협력의 좋은 예로 사람에게 제시하고 있으며, 지혜로운 동물로도 제시되고 있다. 아이소포스도 우화 "개미와 메뚜기"에서 같은 메시지를 전한다. 꾸란에서는 술라이만(솔로몬, 아랍어:سليمان)은 자신과 군대가 갑자기 패배할 것을 피하기 위해 집으로 돌아오라고 경고하는 다른 개미의 말을 개미로부터 전해들었다고 한다. 아프리카 일부 지역에서 개미는 신의 사자로 여겨진다. 개미가 무는 데는 치유력이 있다고 믿기도 한다. 프세우도미르멕스속(Pseudomyrmex)의 일부 종이 가진 침은 발열을 진정시킨다고 믿기도 한다. 호피 족 등 어떤 미국 원주민 신화에서는 개미가 최초의 동물이었다고 한다. 또 성인식 통과의례에서 참을성을 시험하고자 개미에게 물리게 하는 경우도 있다.
인간은 언제나 개미 사회에 매혹되었으며, 익살스럽게 혹은 진지하게 개미에 대해 글을 남겼다. 마크 트웨인은 《도보여행기》에서 개미에 대해 쓴 바 있다. 어떤 현대 작가는 개미의 사례를 들어 사회와 인간의 관계를 논하기도 했다. 로버트 프로스트의 시 "분업정신(Departmental)"이나 T.H 와이트의 환상동화 《과거와 미래의 왕》(The Once and Future King)가 그 예이다. 프랑스의 곤충학자이자 소설가 베르나르 베르베르는 소설 《개미》에서 개미와 인간의 이야기로 줄거리를 풀어나가고 있으며, 현대의 과학 지식을 이용해 개미와 그 행위를 묘사했다. 최근에는 《개미》, 《벅스 라이프》등 만화영화나 3D 영화가 나왔으며, 마블 코믹스의《앤트맨》과 같은 만화책도 나왔다. <앤트맨>은 2015년 영화로 리메이크되어 개봉되었고, 보다 사실적인 개미의 모습을 부여주었다.
1950년대 후반부터 1970년대 말까지 앤트하우스(ant farms)는 미국에서 인기있는 교육용 장난감이었다. 나중에는 흙 대신 투명 겔(gel)로 더 잘 보이게 나온 앤트하우스도 나왔다. 이 제품은 대한민국에서도 판매되었으며, 교육용 개미 사육의 의의를 두었다. 1990년대 초 개미 군체를 경영하는 비디오 게임 '심앤트'가 나와 1992년 "최고의 시뮬레이션 프로그램"으로 코디 상(Codie awards)를 수상했다".
개미는 공상과학물에 등장하는 생물에도 영향을 주었는데 앤더의 게임, 스타쉽 트루퍼스, 뎀(Them! 1954년작), 제4의 종말(Phase IV, 1974년작)에 개미가 나온다. 마스터 오브 오리온이나 데드록 2(Deadlock II: Shrine Wars), 개미등킹욱전략 게임에서도 관련 예가 있다.
개미 천적
개미의 천적으로는 개미귀신이 있다. 명주잠자리의 애벌레인 개미귀신은 모래에 개미지옥이라고 불리는 고깔모양의 함정을 짓고 개미가 오기를 기다린다. 기다림끝에 함정에 빠진 개미는 달아나려고 하지만, 빠져 나가지 못하고 개미귀신에게 체액을 빨린다. 그외 곤충의 체액을 빨아먹는 육식성 동물들인 길앞잡이, 거미, 소금쟁이, 여치 등도 개미의 천적이다. 그 밖에도 아메리카에 서식하고 있는 개미핥기도 최대의 천적으로 분류된다.
한스 베테
한스 알브레히트 베테(독일어: Hans Albrecht Bethe, 1906년 7월 2일 - 2005년 3월 6일)는 독일 태생 미국의 물리학자이다. 핵물리학에 공헌하였으며, '태양과 별에서 에너지가 어떻게 생성되는지에 대해 연구'한 공로로 1967년 노벨 물리학상을 수상하였다.
한스 베테 생애
프랑크푸르트 대학교에서 학사 학위를, 뮌헨 대학교에서 박사 학위를 수여받았다. 나치가 정권을 잡은 1933년 독일에서 영국으로 피해 1935년에는 미국 코넬 대학교의 교수가 된다. 미국으로 이주한 베테는 원자핵 물리학 이론과 실험에 대한 내용들을 논문으로 발표한다. 이 논문은 원자핵 물리학을 전공하는 학생들의 교과서가 되었으며. 원자핵 물리학에 대한 ‘베테의 바이블’이라고 부르기도 했다.
제2차 세계대전 와중에 오펜하이머에게 초대되어 캘리포니아 대학 버클리로 특별 여름 회의에 참가하게 된다. 이 회의에서 원자 폭탄에 대한 개략적인 설명을 듣는다. 오펜하이머가 로스앨러모스에 비밀 무기 연구소를 개설했을 때, 베테는 이론 부분의 감독으로 임명된다. 그는 우라늄과 같은 무거운 원소의 농축은 실현 가능성이 없다고 처음에는 거절하였지만 시카고대학에서 진행 중인 원자로 건설현장을 본 후 연쇄반응을 이용해 플루토늄 생산이 가능하다는 확신을 갖게 된다.
한스 베테 생애
1942년 오펜하이머와 베테가 참석한 이론물리학자 그룹의 토론회에서 핵융합반응의 이용 가능성에 대해 처음으로 공식적인 논의를 하게 된다. 이후 이론물리학자 그룹에서는 원자폭탄의 구조를 비롯하여 폭발 시 버섯구름의 생성, 충격파의 전파, 발생하는 열량, X선과 방사선의 종류와 양, 충격파의 전파 모양 등 구체적인 폭탄 설계에 필요한 이론적인 계산을 논의했다.
베테는 이때 리처드 파인만(Richard Phillips Feynman)과 함께 ‘베테-파인만 방정식'으로 부르는 원자폭탄의 효율을 계산하는 공식을 만들었다. 그리고 1945년 뉴멕시코주의 실험장에서 폭발 실험을 함으로써 계산의 정확성을 입증했다.
베테는 에드워드 텔러(Edward Teller)와 함께 수소폭탄의 원리가 되는 핵융합 이론도 세웠다.
제2차세계대전이 끝나고 교수로 돌아온 베테는 연구에만 몰두하였는데, 특히 태양과 같은 항성 내부에서 발생하는 에너지는 수소가 뭉쳐 헬륨이 되는 핵융합반응을 통해 생성된다는 이론을 주로 연구했다.
전후 베테는 수소 폭탄 개발 계획에 반대했지만, 해리 트루먼 대통령이 개발 계획을 선언하고, 한국 전쟁이 발발하자 계획에 참가해 개발에 중요한 역할을 완수했다. 그는 계획의 종료까지 관여하였지만, 개인적으로는 수소 폭탄 제조가 불가능하기를 바랐다.
1967년, 「원자핵 반응 이론에의 공헌, 특히 별의 내부에 있어서의 에너지 생성에 관한 발견」의 공로로 노벨 물리학상을 수상했다.
제다이 인구조사 현상
제다이 인구조사 현상은 2001년에 영어를 쓰는 몇몇 나라의 시민들이 인구조사에서 자신들의 종교를 스타 워즈 시리즈에 나오는 가상의 종교인 제다이라고 답변한, 일종의 장난이다. 인구 조사에 제다이가 나타난 것은 2001년이 처음이다.
이 운동은 인구 조사에서 종교를 '제다이'(Jedi)라고 답변하여 제다이를 정부에 의해 정식으로 인정된 종교로 만들자는 내용의 전자 편지를 돌림으로써 확산되었다. 이 움직임은 재미로, 인구 조사에 반발하거나 조롱하기 위해, 또는 자신이 제다이 기사였으면 좋겠다는 욕망 등에 의해 동의를 얻었다.
오스트레일리아의 2001년 인구 조사에서는 70,000여 명이, 캐나다에서는 20,000여 명이 종교가 제다이라고 답했다.
제다이 비율이 가장 높은 나라는 뉴질랜드로, 전체 인구의 1.3%인 53,000여 명이 제다이를 믿는다고 응답하여 불교와 힌두교를 제치고 기독교에 이어 두 번째로 큰 종교로 기록되었다. 종교를 가지지 않는다고 응답한 사람과 무응답자를 포함한 종교의 비율은 다음과 같다.
제다이 인구조사 현상
잉글랜드와 웨일스의 2001년 인구 조사에서는 39만여 명이 제다이라고 응답해, 유대교를 제치고 네 번째로 가장 큰 종교로 기록되었다. 이 제다이 ‘교도’들은 특히 학생들이 많은 지역에 분포되어 있었다. 종교를 가지지 않는다고 응답한 사람과 무응답자를 포함한 종교의 비율은 다음과 같다.
하지만 제다이는 어느 나라에서도 정식으로 종교로 인정되지 않고 있다. 영국에서는 제다이를 분류하기 위한 고유 식별 코드가 있는데, 영국 통계청(Office for National Statistics)의 직원에 따르면, 식별 코드는 종교 란에 자주 나타나는 답변을 분류하기 위한 것이지 정식 종교로 인정한다는 것을 나타내지는 않는다고 한다. 영국에는 정식 종교의 개념이 없다.
영국 통계청의 수석 보고 및 분석관 존 풀링거(John Pullinger)는 인구 집계에 전혀 응답하지 않은 사람 중에서도 제다이 난만 쓴 사람이 많다면서 이 장난이 인구 조사의 질을 실제로 향상시켰다고 말했다.
보어
보어의 다른 뜻은 다음과 같다.
보어(補語)는 주어와 서술어로 부족한 뜻을 보충하는 문장의 구성 요소 중 하나이다.
보어(Bo語)는 인도양 안다만 제도에서 사용되던 사어이다.
보어인(Boer)은 남아프리카 공화국의 네덜란드계 백인을 가리킨다.
보어 전쟁
보어(bore)는 엔진 기술의 용어이다.
항공기
항공기(航空機, 영어: aircraft)는 사람이나 물건을 싣고 공중을 날 수 있는 탈것 또는 날 수 있는 기계(flying machine)를 통틀어 이르는 말이다. 우주발사체나 우주선, 미사일 등은 포함하지 않는다.
항공기
비행기, 글라이더, 헬리콥터, 비행선(non-rigid airship 포함), 기구 등 사람이 탑승하는 모든 비행체를 가리킨다. 비행선과 기구는 공기보다 가벼운 기체를 이용하는 항공기이며, 공기보다 비중이 가벼운 기체(수소가스 ·헬륨가스 ·열공기)를 기밀성(氣密性) 주머니에 밀봉하여, 그 주머니가 배제한 부피의 공기와의 무게의 차, 즉 ‘정적(靜的)인 부력’을 이용하여 공중으로 부양한다. 이것에 동력을 장치하고 방향을 조종하면 비행선이다. 항공기 역사상 초기에 등장한 비행선은 군사용으로 개발하여 적국의 상공에 침투하여 폭탄을 투하하는 용도로 활용했다. 이후 비행선은 대형 항공기로서 역할하였으며, 독일의 체펠린(Zeppelin: 1838~1917)이 비행선이 대표적인 비행선으로 손꼽힌다. 1937년 힌덴부르크 호가 폭발하여 수많은 인명피해가 발생하자 비행선 개발은 쇠퇴하였고 이후 비행선은 거의 이용하지 않았다. 이후 비행선을 대체할 항공기 개발을 더욱 가속화하였다. 그리고 동력 없이 자유로이 부양하는 설비를 기구라고 한다. 소형으로 이용하며 특수한 목적에만 부분적으로 이용했으나 최근에는 레저, 스포츠용으로 주로 사용한다.
항공기 항공기의 종류
공기 작용을 이용하는 데 크게 나누어 두 가지 방법이 있다. 그 하나로서 자루(袋) 속에 공기보다도 더 가벼운 가스, 즉 수소라든가 헬륨 따위를 채워서 그 정적 부력(靜的浮力, 아르키메데스의 원리)을 이용하여 나는 방법이며, 기구·비행선 등 경항공기가 이에 속한다. 기구(氣球)는 자신이 추진 장치가 없으므로 바람 흐름에 따라 날낭아 움직이며, 비행선은 엔진과 프로펠러를 조립한 추진 장치가 있어 자유로이 하늘을 난다. 이 때문에 기구의 가스자루는 구형(球形)이고, 비행선은 날 때 공기저항이적도록 유선형(流線形)으로 만든다.
항공기 항공기의 종류
또 하나의 방법은 날개를 공기 속 달아서 그 상대적인 운동을 하여 생기는 동적(動的)인 부력, 즉 양력(揚力)을 이용하여 나는 것이다. 이들에는 비행기·글라이더(glider, 활공기)·헬리콥터 등 중항공기가 있다. 비행기나 글라이더는 날개를 파닥거리거나 돌리거나 하지 않는 이른바 고정날개(固定翼)이므로 공기 속을 어느 속도 이상으로 달리지 않으면 자기 무게를 지탱할 정도의 양력을 얻을 수 없다. 비행기와 글라이더의 차이점은 비행선과 기구의 경우와 마찬가지로 비행기에는 추진 장치(推進裝置)가 있지만 글라이더에는 없다. 이와 반대로 헬리콥터는 몇 장의 날개가 수직으로 된 축의 둘레를 빙빙 돌아서 양력을 발생하는 이른바 회전날개(回轉翼)가 있어 헬리콥터 자신은 공기 속에서도 정지한다. 고정익과 회전익 양쪽 성격을 가진 항공기인 수직이착륙기(VTOL)가 있다. 최근 미국에서는 오스프리라는 수직이착륙기를 실용화한다.
이와 같이 항공기에는 많은 종류가 있으나, 현재 사용 기종은 비행기와 헬리콥터뿐이며, 그 밖의 것은 스포츠용으로 극히 소수가 사용한다. 비행기 중에서 프로펠러를 엔진으로 돌려 그 힘으로 추진하면 프로펠러기, 가스를 후방으로 뿜어내어 그 반동으로 생기는 힘으로 전진하면 제트기라고 한다.
공기보다 무거운 항공기
공기보다 가벼운 항공기
이밖에도 경찰용, 비즈니스용 등 정부기관이나 기업 혹은 민간단체에서도 다양한 용도로 사용되는 경우가 많다.
항공기 구조와 강도
항공기는 공기 속을 고속으로 운동하므로 매우 심한 바람 힘을 기체가 받는다. 바람을 견디도록 견고하게 무작정 두꺼운 금속을 사용한다면 그만큼 무거워 성능이 떨어진다. 따라서 되도록 가볍고 견고한 구조로 해야 한다.
현재 여러 가지 비행기는 알루미늄합금의 얇은 판제로서 동체와 날개의 형태를 이루고 도리와 쇠오리를 안에 넣어 튼튼하게 한다. 기체가 받는 하중을 대부분 금속판으로 만든 외피로 지탱한다. 이 구조를 모노코크 구조(Monocoque construction)라고 한다.
비행기를 설계에는 비행기가 직면할 모든 경우를 상정하여, 받는 힘에 견딜 만한 강도를 유지하도록 한다. 그리고 실제 비행기를 사용하여 철저하게 강도시험을 하고, 설계와 비교하여 정확하게 제작했는지 확인한다.
요하너스 디데릭 판데르발스
요하네스 디데릭 반데르발스(네덜란드어: Johannes Diderik van der Waals, 1837년 11월 23일 ~ 1923년 3월 9일)는 네덜란드의 물리학자이다. 분자의 크기와 분자들 사이의 상호 작용을 고려한 기체 상태방정식을 발견해, 1910년 네덜란드인으로 3번째 노벨 물리학상을 받았다.
반데르발스의 주요 업적은 다음과 같다.
요하너스 디데릭 판데르발스 약력과 업적
1837년 11월 23일 네덜란드의 레이던에서 태어나, 거의 독학으로 과학을 공부해 학교 교사가 되었다. 1862년부터 레이던 대학교에서 청강하였으나, 라틴어나 그리스어를 할 수 없기 때문에 정규 시험을 보는 자격은 주어지지 않았지만, 1865년까지 짬을 내서 이곳에서 공부했다.
1864년 데베타 중학교에 부임하여, 중학교 교장이 되었다. 그 직후 법이 개정되어 고전어 시험이 면제되어 판데르발스는 레이던 대학교에 입학할 수 있었다.
판데르발스는 1873년에 박사 학위 논문 「액체와 기체의 연속성에 대해(네덜란드어:  Over de continuïteit van den gas- en vloeistoftoestand)」를 발표하였다. 이 논문에서 판데르발스는 분자 간의 힘과 분자 자신이 차지하는 공간의 크기를 고려해서 기체와 액체의 모두에 적용될 수 있는 반데르발스 상태 방정식을 정의하였다. 제임스 클러크 맥스웰은 네이처에서 이 논문을 다음과 같이 극찬하였다.
"판데르발스란 이름은 곧 분자 과학의 최첨단에 기록될 것이다."
요하너스 디데릭 판데르발스 약력과 업적
"이 논문은 네덜란드어 학습 유행을 일으키게 할 것이다."
1876년 신설된 암스테르담 대학교의 물리학 교수로 임명되었다. 야코뷔스 헨드리퀴스 판트호프, 휘고 드브리스와 함께 대학의 육성에 힘쓰며 외부로부터의 초대도 마다하고 은퇴할 때까지 머물렀다.
1890년 조사이어 윌러드 기브스의 열역학 이론을 분자계에 이용해 두가지 기체로 이루어진 혼합기체 이론을 발표하였다. 1893년 표면장력에 관한 논문을 발표하였다. 이 논문에서 제시된 「표면 장력은 (Tc - T)α에 비례한다」는 식은 판데르발스 식으로 불리고 있다. 1895년 열역학 퍼텐셜을 운동론의 입장으로부터 다루는 논문을 발표하였다. 「액체 및 기체의 물리학적 상태에 관한 연구」의 공로로 판데르발스는 1910년 노벨 물리학상을 수상하였다.
1923년 3월 9일 암스테르담에서 사망했다. 1937년 암스테르담에서 판데르발스 탄생 백년을 기념하는 국제 회의가 열렸다.
요하너스 디데릭 판데르발스 배경과 영향
그의 연구의 시작은 분자 운동론으로부터 이상 기체의 법칙을 이끌어낸 루돌프 클라우지우스의 논문이다. 이것에 근거하여 이산화탄소의 상태를 자세하게 조사하고 임계 온도를 구하고 있던 앤드류스의 실험(1869년)을 분자론적으로 설명할 수 없을까 생각했다. 그리고, 이상 기체의 상태 방정식에 분자 간의 인력(반데르발스 힘)과 분자의 크기를 각각 나타내는 두 개의 상수(판데르발스 상수)를 도입하여 실험 결과를 멋지게 설명할 수 있다는 것을 발견했다.
분자 간의 힘과 분자의 크기는 기체에 따라서 다르기 때문에, 원래 그가 발견한 상태 방정식의 상수는 기체마다 다른 값을 가지고 있었다. 그러나 그는 한층 연구를 진행시켜 온도·압력·체적의 척도를 바꾸는 것만으로 많은 기체나 액체의 성질이 같은 상태 방정식에서 나타난다는 법칙을 이끌어냈다. 이 성과에 따라 듀워의 수소 액화나 오너스의 헬륨 액화 방법이 개발되었다.
이 후, 반데르발스 상태 방정식의 오차를 줄이기 위해 클라우지우스 등 수많은 물리학자들이 여러 가지 방정식을 제안하였지만, 분자 간의 힘과 분자의 크기를 고려한다는 판데르발스의 직감은 지금도 그대로 남아 있다.
루돌프 클라우지우스
루돌프 율리우스 에마누엘 클라우지우스(Rudolf Julius Emanuel Clausius, 1822년 1월 2일 ~ 1888년 8월 24일)는 독일의 물리학자이다. 열역학 제1법칙과 제2법칙을 발견했다. 1850년 그는 그의 가장 중요한 논문인 《On the mechanical theory of heat》을 통해 열역학 제 2법칙을 발표하였고, 1865년에는 엔트로피 개념을 소개했다. 그 외에도 열역학에 절대온도와 엔트로피, 엔탈피 개념을 도입하여 클라우지우스 크라페이롱의 식을 발견한 업적이 있다.
열역학 제2법칙
물리학에서 열역학 제2법칙(second law of thermodynamics)은 열적으로 고립된 계에서 매 시각마다 계의 거시상태의 엔트로피를 고려하였을 때, 엔트로피가 더 작은 거시상태로는 진행하지 않는다는 법칙이다. 즉, "열은 항상 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 흐른다"와 같으며, "열역학 사이클에서 모든 열이 일로 변환될 수는 없다"와도 같다.
이 법칙을 통해 자연적인 과정의 비가역성과 미래와 과거 사이의 비대칭성을 설명한다. 하지만 엔트로피가 감소된 거시상태가 될 확률은 극히 낮을 뿐 불가능은 아니다.
열역학 제2법칙은 열역학계의 물리적 성질로서 엔트로피의 개념을 정립한다. 열역학 제1법칙에 나타난 에너지 보존의 요구를 따르더라도 금지되는 열적 과정이 있으며, 어떤 과정이 자발적으로 일어나기 위해 필요한 기준을 제시한다. 예를 들어 제1법칙은 컵이 탁자에서 떨어져 깨지는 것과 컵 조각들이 다시 모여 테이블로 뛰어드는 두 과정을 모두 허용하는 반면, 제2법칙은 전자를 허용하고 후자를 부정한다. 자연 과정의 비가역성은 시간의 화살이라는 용어로 설명되기도 한다.
열역학 제2법칙
제2법칙은 경험적 발견이며, 역사적으로 열역학 이론의 공리로 받아들여지게 되었다. 통계역학은 원자 또는 분자의 큰 집합체 상태들의 확률 분포의 관점에서 법칙을 미시적으로 설명한다. 제2법칙은 여러 공식으로 표현된다. 엔트로피의 적절한 정의에 선행하고 열소이론(caloric theory)에 기초한 첫 번째 정의는 카르노 기관과 함께 제안된 카르노 정리로, 1824년 열기관에서 일을 하는 열의 변환 효율이 상한을 갖는다는 것을 보여준 프랑스 과학자 사디 카르노가 제안한 것이다. 엔트로피의 개념에 기초한 제2법칙의 엄격한 첫 번째 정의는 1850년대 독일 과학자 루돌프 클라우지우스가 제안한 것으로, 열은 동시에 일어나는 또다른 변화 없이는 더 차가운 물체에서 더 따뜻한 물체로 절대 전달될 수 없다는 해설을 덧붙였다.
열역학 제2법칙은 열역학적 온도 개념을 정의할 수 있게 하지만, 현재는 공식적으로 열역학 제0법칙이 그 정의를 하는 것으로 이해한다.
열역학 제2법칙 내용
열역학 2법칙을 통해 차가운 부분에 한 일이 없을 때, 열이 차가운 부분에서 뜨거운 부분으로 흐르지 않는 이유와 열원(reservoir)에서 열에너지가 모두 일로 전환될 때, 다른 추가적인 효과를 동반하지 않는 순환과정(cycle)은 존재하지 않는다는 점에 대해 설명할 수 있다.
열역학 제2법칙의 모순처럼, 고립계가 아닌 계의 엔트로피는 감소하는 것으로 볼 수도 있다. 예를 들어 에어컨은 방 안의 공기를 차갑게 해주어서 공기의 엔트로피를 감소시킨다. 하지만 방 안으로부터 방출되거나 에어컨이 작동함에 따라 흡수되는 열은 항상 그 계의 공기의 엔트로피의 감소보다 많은 양의 엔트로피를 생성한다. 따라서 전체 계의 총 엔트로피는 열역학 제2법칙에 의하듯 증가한다.
역학에서 열역학의 기본 관계를 사용하여 표현된 제2법칙은 계의 일을 할 수 있는 능력의 한계를 나타낸다. 가역과정에서 미소 열  을 흡수한 온도가  T인 계의 엔트로피 변화는 로 주어진다.
열역학 제1법칙이 과정 전, 그리고 후의 에너지를 양적(量的)으로 규제하는 반면, 열역학 제2법칙은 에너지가 흐르는 방향을 규제한다.
열역학 제2법칙 다른 표현
열역학 제2법칙은 다양한 방법으로 서술될 수 있다. 카르노가 처음으로 시도하였으며, 이후 학문적으로 엄격한 정의는 루돌프 클라우지우스(1854), 켈빈 남작(1851), 콘스탄티노스 카라테오도리(1909)의 서술이 대표적이다. 이러한 서술은 특정한 과정의 불가능성을 언급하면서 일반적인 물리적 용어들을 제시했다. 클라우지우스의 서술과 켈빈의 서술은 동등한 것으로 여겨진다.
니콜라 레오나르 사디 카르노는 1824년 열기관에서 일을 하는 열의 변환 효율이 상한을 갖는다는 것을 보였는데, 열역학 제2법칙에 대한 역사적으로 최초의 기록이다. 카르노는 분석결과 이상적인 열기관은 매 순간 열평형상태에 놓여 준정적(準静的, Quasi-static) 과정을 할 때 가능하다고 결론지었는데, 이 이상적 열기관을 카르노 기관이라 한다.
1854년, 독일의 물리학자 루돌프 클라우지우스는 저온의 물체에서 고온의 물체로 열을 전달시키는 것이 유일한 결과인 과정은 불가능하다고 서술했다. 즉, 엔트로피는 고립계에서 항상 증가한다는 것이다.
열역학 제2법칙 다른 표현
켈빈 남작과 막스 플랑크는 열원으로부터 열을 전부 흡수하여 일로 바꾸는 과정은 불가능하며 열을 일로 전환하기 위해서는 반드시 열이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동해야 한다고 했다.
우측 그림에서 볼 수 있듯 같이 켈빈의 정의와 클라우지우스의 정의는 같은 것이다. 켈빈의 정의를 위반하는 기관이 있다고 해보자. 즉, 주위와 어떠한 상호작용 없이 흡수한 열을 전부 일로 변환하는 기관이 있다고 해보자. 이는 우측 그림에서 볼 수 있듯 카르노 기관(Carnot engine)의 역과정이다. 이 기관의 효율은 최대 효율인 η인데, 결론적으로 저온에서 고온으로 만큼의 열을 전달하는 기관이 되어 클라우지우스의 정의를 위반하게 된다. 따라서 둘 중 하나를 위배하는 경우 다른 하나를 자동적으로 위반하게 된다.
열역학 제2법칙 통계 역학
엔트로피가 확률에 의해 지배받는 요소라는 것을 입증한다. 따라서 무질서의 감소가 닫힌계 안에서도 일어날 수 있다. 그러나 이것이 나타날 확률은 매우 작기 때문에 이러한 현상이 나타나더라도 계의 매우 적은 입자들에만 영향을 미치는 일시적인 감소이다.
열역학 제2법칙 영구기관
열역학 제 2법칙은 영구기관의 불가능성을 정리하는 데 큰 기여를 했다. 열역학 제1법칙이 과정 전과 후의 에너지를 양적(量的)으로 규제하고 있는 데 비하여, 제2법칙은 에너지가 흐르는 방향을 규제하는 성격을 띠고 있다. 즉 에너지의 흐름은 엔트로피가 증가하는 방향으로 흐른다는 것이다. 따라서 이 법칙에 따르면, 하나의 열원에서 열을 받아 이것을 일로 바꾸되 그외 어떤 외부의 변화도 일으키지 않는 열기관인 제2종 영구기관의 제작은 불가능하다고 할 수 있다. 제2종 영구기관은 100%열다고 했다. 효율이 좋은 기관의 제작은 가능하지만 영구기관을 만드는 것은 불가능하다.
열역학 제1법칙
열역학 제1법칙(The first law of thermodynamics)은 보다 일반화된 에너지 보존법칙의 표현이다.
열역학 제1법칙 정의
열역학 제1법칙은 내부 에너지()에 대한 기여도의 합으로 공식화되는 경우가 많다. 이는 열역학적 과정에서 시스템에서 수행되거나 시스템에 의해 수행되는 모든 일()과 시스템에서 공급되거나 배출되는 열의 양()의 합을 의미한다. 이 용어에 대한 역사적 기호 관례는 시스템에 공급된 열이 양수이지만 시스템이 수행한 일을 뺀다는 것이다. 이것은 루돌프 클라우지우스(Rudolf Clausius)의 관례였으며, 내부 에너지의 변화() 형식은 다음과 같다.
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막스 플랑크(Max Planck) 및 IUPAC의 현대 정의는 종종 뺄셈을 덧셈으로 대체하며, 예를 들어 엔진과 같은 시스템처럼 사용 여부에 관계없이 시스템으로의 모든 순 에너지 전달을 양수로 간주하고 시스템의 모든 순 에너지 전달을 음수로 간주한다.
계(system)가 준정적 과정(quasistatic process)에서 팽창할 때, 계가 주변에 행한 열역학적 일은 압력()과 부피 변화()의 곱()인 반면, 주변이 계에 행한 열역학적 일은 이다. 계의 내부 에너지 변화는 다음과 같다:
여기서 는 주변 환경에 의해 계에 공급되는 극소량의 열의 불완전 미분(inexact differential)을 나타낸다.
열역학 제1법칙 정의
일과 열은 에너지를 공급하거나 제거하는 물리적 과정의 표현인 반면, 내부 에너지 는 시스템에 발생하는 에너지 교환을 설명하는 수학적 추상화이다. 따라서 열(heat)이라는 용어 는 시스템 내의 에너지 형태를 지칭하는 것이 아니라 열역학적 의미에서 열로 추가되거나 제거되는 에너지의 양이다. 마찬가지로, 작업 에너지(work energy)라는 용어 는 열역학적 일(thermodynamic work)을 통해 얻거나 잃은 에너지의 양이다. 내부 에너지는 계의 속성인 반면, 수행된 일과 공급된 열은 그렇지 않다. 이러한 구별의 중요한 결과는 주어진 내부 에너지 변화 를 열과 일의 다양한 조합에 의해 얻을 수 있다는 것이다. (이는 열과 일은 경로 의존적이지만 내부 에너지의 변화는 공정의 초기 및 최종 상태에만 의존한다는 것을 의미할 수 있다. 열역학적 일은 시스템의 변화로 측정된다는 점을 명심할 필요가 있다. 주변의 힘과 거리로 측정된 일과 반드시 동일할 필요는 없다. 이러한 구별은 '등적과정의 일(isochoric work)'(일정한 부피에서)이라는 용어로 표시된다.)
열역학 제1법칙 정의
정의는 다음과 같다. "어떤 계의 내부 에너지의 증가량은 계에 더해진 열 에너지에서 계가 외부에 해준 일을 뺀 양과 같다."
열의 이동에 따라 계 내부의 에너지가 변하는데 이때 열에너지 또한 변한다. 이 에너지는 계 내부의 원자·분자의 역학적 에너지 등을 일컫는다. 일반적으로, 어떤 체계에 외부로부터 어떤 에너지가 가해지면 그만큼 체계의 에너지가 증가한다. 이와 같이, 물체에 열을 가하면 그 물체의 내부 에너지가 가해진 열 에너지만큼 증가한다. 또한 물체에 역학적인 일이 더해져도 역시 내부 에너지는 더해진 일의 양만큼 증가한다. 따라서 물체에 열과 일이 동시에 가해졌을 때 물체의 내부 에너지는 가해진 열과 일의 양만큼 증가한다. 이것을 열역학의 제1법칙이라고 한다.
이를 공식화 하면 이다. 기호가 의미하는 바는 U는 내부 에너지, Q는 계에 흡수되는 열, W는 계가 한 일이다.
열역학 제1법칙 특수한 경우
단열 팽창 또는 단열 압축 과정은 열역학 제1법칙 ΔU = Q - W에서 Q = 0인 경우이다. 즉 외부로부터 열의 출입이 없는 경우이다. 그러면 ΔU = -W가된다. 이는 외부와 열에너지 전달이 일어나지 않는 과정이다. 계(System)가 일을 하면 내부에너지는 그만큼 감소하고, 반대로 계가 외부로부터 일을 받으면 내부에너지는 그만큼 증가한다.
단열벽은 계에 출입하는 열을 완벽하게 막는다. 계와 주위 사이에서 에너지가 전달될 수 있는 방법은 오직 납알을 올리거나 내리는것 뿐이다. 피스톤 위에 납알을 올리면 기체가 압축되어 계가 한 일은 음의 값이고 내부에너지는 증가한다. 반면 납알을 내리면 기체가 팽창되어 계가 한 일은 양의 값이고, 내부에너지는 감소한다.
자유 팽창 과정(순환 과정이라고도 한다)은 계와 주위 사이에 열전달이 없고, 계가 일도 하지 않는 단열과정의 일종이다. 열역학 제1법칙 ΔU = Q - W에서 Q = W = 0인 경우이다. 그러면 ΔU = 0이 된다.
열역학 제1법칙 특수한 경우
자유팽창에서 잠금마개가 열리면 기체는 자유팽창을 하여 양쪽 공간을 모두 채운다. 이 때 두 공간은 단열되어 있으므로 외부와 열전달은 없다. 그리고 기체가 아무 압력도 받지 않고 진공으로 들어가므로 일도 없다.
등적 과정은 열역학 제1법칙 ΔU= Q - W에서 W = 0인 경우이다. 즉 부피가 일정하다. 계가 열을 흡수하면 계의 내부에너지는 증가하고, 반대로 열을 잃으면 내부에너지가 감소한다.
등온 과정은 온도를 일정하게 유지하고 압력과 부피를 변화시키는 과정으로, 열역학 제1법칙 ΔU = Q - W에서 ΔU = 0인 경우이다. 따라서 Q = W가 된다. 등온과정을 따르므로, 즉 온도 변화가 없으므로 내부 에너지가 일정하고, 외부에서 공급되는 열에너지는 모두 일로 변한다.
프랑슘
프랑슘(←영어: Francium 프랜시엄[*], 문화어: 프란시움←독일어: Francium 프란치움[*])은 화학 원소로 핵반응으로 만드는 알칼리 금속이다. 원소기호는 Fr(←라틴어: Francium 프랑키움[*])이며, 원자번호는 87이다. 다른 말로 에카-세슘 또는 악티늄-K로 부르기도 한다. 알칼리 금속 중에서 가장 무거운 원소이다. 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘과 같은 다른 알칼리 금속처럼 프랑슘도 화합물에서 +1가 형태의 이온 형태를 띠고(Fr+), 화학적 성질은 세슘과 매우 비슷하다. 프랑슘의 가장 안정한 동위 원소의 반감기는 22분으로 매우 불안정하기 때문에, 아직 많은 양의 원소를 만들지는 못했다.
프랑슘 화학적 성질
원자번호는 87, 원소기호는 Fr, 질량수는 223.019이다. 프랑슘의 녹는점은 300K, 끓는점은 950K이나 일부 과학자들은 935K으로 보기도 한다. 화학적 성질은 세슘과 조금밖에 차이나지 않는다. 전기 음성도는 0.7로, 0.79인 세슘과 0.09정도 차이가 난다. 이온화 에너지는 1차 380kJ/mol, 2차 2200kJ/mol, 3차 3300kJ/mol(2차, 3차는 세슘에 의한 추정)이다. 프랑슘은 붕괴하여 라돈으로 된다.