🚀궤도사령부(궤도)

우주의 팽창을 일반적으로 단열팽창이라고 하잖아요

궤도

물린이

23.03.08

일단 우주는 고립계로 볼 수 있으니

우주가 팽창함에 따라 온도가 낮아지는 걸

우주의 에너지는 일정한데 부피가 팽창함에 따라 단위부피당 에너지가

낮으니 온도가 낮다라고 설명하는 것과

바깥으로 부피가 커지는 일을 해줌으로써 에너지가 감소하는 것(단열팽창)이 결이 다른 듯한데

전자로 설명하는 것의 문제는 무엇일까요?

시카고노동자

23.03.08

열역학 지식은 있지만 우주론은 잘 몰라서 조금 찾아보니

우주의 팽창은 단열팽창이라고 보는데

진공 에너지 때문에 압력이 음수라서 팽창할 수록 에너지가 증가한다고 합니다 (팽창일은 압력x부피)

일단 에너지가 오히려 증가한다고 하긴 합니다만

에너지랑 온도는 독립적인 물리량입니다

에너지가 감소한다고 온도가 무조건 감소하거나

에너지가 증가한다고 온도가 무조건 증가하는 것은 아닙니다

온도는 평균 운동에너지에 비례하기는 하지만 평균 운동에너지가 꼭 전체 에너지랑 같이 움직인다는 보장은 없거든요

그니까 에너지가 일정하다고 한 들 부피가 감소한 다는 것 만으로는 온도가 낮아진다고 말 할 수 없습니다

시카고노동자

23.03.08

오히려 에너지가 보존되는 상태에서

거리가 멀어지면 위치 에너지가 (우주에서는 주로 중력에 의한) 감소하니

운동에너지는 (온도) 증가하는게 자연스러운 것 같기도 합니다

물린이 글쓴이

23.03.08

아 그럼 단열팽창으로 보는게 맞겠네요. 감사합니다!!

@시카고노동자

그럴수도

23.03.08

물리 전공자인데, 저는 오히려 후자가 문제있다고 봅니다.

단열팽창시 에너지가 감소하는 것은 외부에 일을 해주기 때문인데, 우주가 팽창하면서 외부에 일을 해준다면 우주가 우주 밖의 무언가를 밀어낸다고 가정해야 합니다. 그 가정이 썩 타당하지는 않지요.

비슷한 쉬운 예로 단열 자유팽창(진공으로 기체 유입)의 경우에 단열팽창이긴 하지만 외부에 일을 하지 않고, 그러니 온도도 낮아지지 않습니다.

위치에너지가 감소하고 운동에너지가 증가하더라도 에너지의 총량은 일정하므로 단위부피당 에너지(에너지 밀도)가 감소한다고 보는 것이 타당하지 않나 싶네요. 온도와 연관지으려면 팽창한다는 사실 외에 다른 요인까지 생각해야할 것 같습니다.

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