열이 전달되는 것을 어떻게 알 수있나요 - yeol-i jeondaldoeneun geos-eul eotteohge al su-issnayo

열은 어떻게 전달되는가?

열역학은 물리학의 매우 흥미로운 부문 중 하나로서, 공기압축기를 이해하는 데 특히 유용합니다. 이 문서에서는 열의 전달에 대해 알아본 다음 열역학 소개를 살펴봅니다.

열은 어떻게 전달되는가?

촛불을 켜놓고 제 손을 따뜻하게 하고 싶다고 해봅시다. 어떻게 하면, 이 촛불의 열을 제 손으로 가져올 수 있을까요. 이 말은 어떻게 하면, 이 촛불 주변에 있는 활발한 분자운동을 이용해서 내 손에 분자들을 진동시킬 수 있을까 라는 의미로 보시면 되겠습니다. 일단 촛불 속에 손을 집어넣으면 거기 안에서 엄청난 속도로 날아다니고 있는 공기 분자들이 제 손을 때리겠지만 그건 너무 뜨거워서 안 되겠고요. 일단 촛불 위쪽에 손을 가져가 보시면 따뜻함을 느낍니다. 뜨거운 공기분자들이 이리저리 이동하면서 제 손에까지 도달해서 제 손을 때려주는 건데 이런 방식의 열전달을 대류라고 합니다. 또 한 가지 방법은 이런 스푼을 끝에다 갖다 대서 이 뜨거운 공기분자들이 이 스푼 끝에 있는 분자들 때리게 만들고 그다음에 그 분자들이 옆 분자들 진동하고 진동하고 진동으로 해서 결국 제 손에까지 열이 오도록 하는 방법인데 우리가 이거를 전도라고 부르죠. 그 외에 이제 열에서 전달될 수 있는 세 번째 방법 있는데 그것이 복사라는 것입니다. 촛불이 빛을 통해서 에너지를 뿜어내고 있고요. 이 빛이 제 손에 닿음으로써 따뜻해지는 거죠. 이 복사 효과를 늦게 보시려면 가운데 다른 가림막을 뒀다가 뺐다가 그렇게 해보시면서 그때 느껴지는 열의 차이를 느껴보시면 됩니다. 여러분이 그늘에 있다가 양지에 나올 때 느끼는 그 따뜻한 기운 그리고 캠프에서 모닥불을 바라보고 있을 때 얼굴이 화끈거리는 이것이 다 복사에 의한 열전달입니다. 우리에게 복사라는 말이 우리한테는 일상적인 단어가 아니라서 참 불편합니다. 차라리 발광 이렇게 불러줬으면 더 좋지 않았을까 하는 생각이 듭니다.

복사

전도와 대류는 비교적 여러분들은 익숙하게 잘 알고 있을 테니까 여기서는 복사에 좀 더 초점을 맞춰 보도록 하겠습니다. 모든 뜨거운 물체는 빛을 내고 있습니다. 얼마나 뜨거워야 빛을 내느냐 하는가 하면 절대온도 영도 이상이면 모든 물체는 빛을 내고 내기 시작합니다. 제 손은 약 310 캘빈 정도 되는데요. 제 손이 이렇게 빛나 보이지 않네요. 어두운데 가서 보더라도 제 손에서 빛이 나오는 걸 잘 볼 수가 없습니다. 그 이유는 제 손이 방출하는 빛이 가시광선이 아니라 파장이 긴 적외선이기 때문인 거죠. 만약 여러분이 적외선 카메라로 사람을 찍으면 몸에서 나오는 적외선을 볼 수가 있고요. 심지어는 이렇게 까만 비닐봉지 속에 들어있는 손도 확인할 수 있습니다. 자 그럼 이제 왜 뜨거운 물체에서 빛이 나오는지 이걸 설명해야 될 것 같습니다. 대체로 뜨거운 것과 빛이 무슨 상관이 있을까 기억하실지 모르겠지만 지난주 물을 공부할 때 물 분자가 특정 파장의 빛을 만나면 진동한다고 했습니다. 이렇게 빛이 원자나 분자를 진동시킬 수 있다면 거꾸로 원자나 분자에 진동이 빛을 만들어 낼 수 있다. 이렇게 볼 수 있을 것입니다. 모든 물질은 원자로 이루어져 있고요. 그 원자는 양성자와 중성자로 이루어진 핵을 갖고 있고, 그 주위를 돌고 있는 전자들로 이루어집니다. 외부 영향이 없다면 이 전자들은 각자 자신의 정해진 궤도에 안정한 상태로 머물러 있습니다. 이렇게 온도가 높은 물질 안에서는 이 원자가 다른 원자와 강하게 충돌하면서 그 충돌 에너지로 인해서 이 전자의 일부가 원래 궤도를 벗어나서 바깥 궤도로 옮겨갑니다. 이 바깥 궤도의 놓인 전자는 이제 불안해서 얼마 되지 않아서 다시 원래 궤도로 복귀하는데 그때 자신의 에너지를 빛의 형태로 방출합니다. 이 빛을 우리가 복사라고 부르는 것입니다. 온도가 높은 물체는 분자와 원자 사이에 충돌이 더 심하게 일어나고 따라서 전자의 궤도가 더 멀리 바깥쪽으로 움직이거나 그리고 더 자주 움직입니다. 그리고 그 거기서 나오는 빛의 파장은 더 짧아지고 강해집니다. 그래서 결론적으로 온도가 높을수록 짧은 파장 그리고 센 빛이 나오는 것입니다. 3000도짜리 물체에서 나오는 빛은 대부분이 가시광선보다는 파장이 긴 적외선이고 가시광선 중에서는 빨간빛이 가장 많이 나오기 때문에 우리 눈에는 벌겋게 보입니다. 용광로의 그 철에서 나오는 빛이 이와 비슷하겠죠. 태양의 온도가 6000도 정도 되는데요. 이때는 대부분의 에너지가 가시광선 쪽에 위치합니다. 지난주에 가시광선의 영역을 결정하는 것이 물의 특성이라고 했는데 신기하게도 태양의 주로 내는 빛의 영역하고 물이 잘 통과시킬 수 있는 빛의 영역이 일치합니다. 어떻게 태양과 물이 둘이서 조화를 이루게 되었는지 저도 아직 잘 모르겠습니다. 만약 12000 정도 되는 물체가 있다면 이 물체는 자외선과 파랑, 보라 이런 빛을 주로 방출하고요. 우리 눈에는 이 물체가 푸르게 보이겠죠. 혹시 여러분이 조금만 자세히 보시면 눈치채실 수가 있는데 이 그래프의 최대점 그니깐 가장 센 빛의 파장이 온도에 반비례합니다. 그래서 온도가 두 배가 되면 가장 센 파장이 반으로 줄어드는 거죠. 자 그렇다면 제 손이 약 300 켈빈 정도 된다고 했는데 제 손에서 나오는 빛은 어떤 파장이 빛이 주로 나올까요. 여기서 보시면 3000 켈빈에 온도에서 1 마이크로에 빛이 가장 세게 나온다고 했으니까 300 켈빈에 물체에서는 반비례해서 10 마이크로에 파장이 가장 많이 나옵니다. 이건 아주 파장이 긴 편에 속하고요. 우리 눈으로는 볼 수 없는 적외선입니다.

파장과 물체의 온도 관계

어떤 파장이 주로 어떤 파장이 빛이 주로 나오는가 이걸 보면 그 물체 온도를 알 수가 있습니다. 천문학에서는 이 정보를 통해서 별의 온도를 예측하고 있는데요. 이렇게 붉게보이는 별의 온도는 5500도, 이렇게 푸르게 보이는 빛은 18000도 정도 된다는 것을 확인할 수가 있습니다. 만약에 우리에게 가시광선이 아니라 적외선까지 측정할 수 있는 장치가 있다면 같은 원리로 이제 100도, 50도, 20도 이런 정도의 물체에서 나오는 빛을 통해서 그 물체 온도를 측정할 수도 있겠습니다. 여기 보여드리는 적외선 온도계가 바로 그런 원리를 이용합니다. 여기 앞부분에 빛을 받아들이는 부분인데 제가 손에서 나오는 빛을 여기다 집어넣어 보겠습니다. 그러면 그 빛을 분석해서 이 기계가 32도라고 알려주고 있네요. 귀 같은 데다가 쏘면은 34. 5도가 나옵니다. 이런 식으로 빛을 가지고 온도를 측정하는 이런 원리를 사람들이 사용하고 있고요. 현재 이 경우에는 - 50도 에서 380도 정도까지 온도 측정이 가능하다고 쓰여있습니다. 자 그럼 복사에 대해서 정리를 해보겠습니다. 복사하는 열이 전달되는 방식 가운데 하나인데 어떤 물질 내부의 분자들이 진동하고 있을 때 거기서 이제 빛이 나오는데 차가운 물체에서는 약하고 긴 파장인 빛이 나오고 빠른 속도로 진동하는 뜨거운 물체에서는 강하고 짧은 파장인 빛이 나옵니다. 이 빛이 공기 중을 진행하다가 제 손을 만나면 제 피부의 분자들을 진동시키는데 강하고 짧은 파장의 빛일수록 제 손의 분자들을 더 심하게 요동시켜서 제 손을 따뜻하게 만들어 줍니다. 이렇게 한쪽 물체의 분자들 진동이 멀리 떨어진 제 손의 분자들을 진동시키는 것 이것을 우리가 복사라고 부르는 거죠. 이 복사는 대류 하고 달리 이 둘 사이에 아무 물질이 없더라도 즉, 진공상태라도 에너지가 전달될 수가 있습니다.

전도, 대류, 복사

만약 여러분이 이 차를 뜨겁게 유지하고 싶으면 어떻게 해야 될까요? 이 내부의 열이 다른 곳으로 빠져나가지 않도록 하려면 열이 전달될 수 있는 모든 통로를 차단해야 되겠죠. 일단 우리가 배운 전도가 있습니다. 컵 분자들의 진동이 이 아래 바닥으로 전달되면서 열이 빠져나갑니다. 이 전도가 안 되게 하려면 공중에 띄워두는 게 가장 좋을 텐데 그렇게 하기는 힘들다면 이런 고무판 같은 전도가 아주 잘 안 되는 물질을 사용하면은 비교적 전도를 좀 줄일 수가 있겠습니다. 또 이제 증발을 통해서 이 차 속의 뜨거운 분자들이 계속 빠져나가고 있습니다. 대류를 통해서 열이 공기 중으로 온 방안으로 다 퍼져나갑니다. 이것을 막으려면 이제 공기 흐름을 차단해야 되겠죠? 제가 이렇게 뚜껑을 한번 씌워보겠습니다. 이러면 아까보다는 좀 열이 덜 빠져나갈 것 같기는 한데 아직도 불안합니다. 왜냐하면 여기 대류를 통해서 이 통의 안쪽의 데워질 테고요. 전도를 통해서 이 통의 열이 이 바깥 표면으로 나와서 결국 또 공기 중으로 빠져나갑니다. 결국 전도와 대류, 이 둘의 연결고리를 완전히 차단하려면 중간에 진공층을 만들 수밖에 없습니다. 여러분이 이 내부를 진공으로 만들었다고 가정해보시죠. 그럼 이제 완벽할까요? 그렇지 않습니다. 세 번째, 복사가 남아있죠. 이 컵에서 우리 눈에는 보이지 않지만 적외선이 계속 새 나오고 있고 심지어 여기에 놔뒀다고 하는 진공층도 통과합니다. 그래서 이런 빛을 잘 반사시키는 방막으로 감싸 볼 수가 있겠습니다. 이렇게 되면 복사로 나오던 빛이 이 면에 반사돼서 다시 컵 안쪽으로 들어가게 되는 거죠. 이런 원리로 만들어진 물건이 바로 여러분이 사용하시는 보온병입니다. 마개와 진공 벽으로 전도와 대류를 막고 용기의 안쪽 표면을 반짝이게 만들어서 이렇게 복사된 빛을 반사시킵니다. 이 뜨거운 물을 이런 병에 넣었는데 여러분이 1시간 후에 만져보니까 보온병 겉이 하나도 따뜻하지가 않습니다. 그러면 벌써 물이 다 식어버린 걸까? 보온이 실패한 걸까? 그렇지 않습니다. 밖에서 만약 열이 느껴진다고 하면 열이 새고 있다는 뜻이고 그것은 이 보온병이 제대로 동작하지 않는다는 거죠. 진짜 좋은 보온병은 겉에서 아무런 열이 느껴지지 않아야 됩니다. 보온병은 말로는 따뜻한 것을 유지한다는 뜻인데 실제로 열이 빠져나가는 것을 막을 수 있다고 하면 열이 들어오는 것도 동시에 차단하기 때문에 차가운 물을 오래도록 보존하면서 쓸 수가 있습니다. 지구온난화가 우리 사회의 가장 중요한 이슈 중 하나로 떠올랐습니다. 올여름도 24년 만에 최고 무더위라고 하는데요. 사람들이 온난화를 줄이려면 탄소 배출량을 줄여야 된다고 말합니다. 도대체 탄소가 무슨 죄가 있길래 지구온난화의 주범이 될까요? 사실 탄소는 동물이나 식물을 구성하는 주요 원자 중의 하나로써 그 자체로는 아무 문제가 없습니다. 다만 이산화탄소나 메탄 이런 기체 분자로 대기 중에 존재하면 그때 문제가 생길 수 있다는 거죠. 태양과 지구 사이는 진공 상태입니다. 그래서 오직 복사로만 열이 전해지는 거죠. 만일 지구가 태양으로부터 빛을 계속 받기만 한다면 지구의 온도는 계속 올라가야 됩니다. 그러나 실제로 지구도 자신의 에너지 일부를 복사 형태로 우주로 내뿜고 있습니다. 그래서 태양으로부터 받는 열과 지구가 내놓는 열이 똑같아지고 열적 평형이 이루어지는 것입니다.

이산화 탄소층

대기에 이산화탄소가 많아지면 이런 지구를 감싸는 이산화탄소 층이 생깁니다. 그럼 지구에서 뿜어낸 복사에너지 일부가 이 이산화탄소 층에 흡수되었다가 다시 지구 쪽으로 반사돼서 지구 온도를 상승시키는 거죠. 이게 바로 온난화의 주된 이유입니다. 그런데 잠시만요. 여기에 이상한 점이 있습니다. 만일 이산화탄소 층이 지구에서 나오는 복사광을 반사시킨다면 태양에서 지구로 빛이 올 때도 그만큼 반사시켜야 되지 않겠습니까? 태양으로부터 오는 빛의 양을 줄이면 지구를 차갑게 만드는 효과가 있으니까 온난화가 생기지 않아야 되는 것 같습니다. 여기에 중요한 포인트가 있는데요. 6000도의 태양이 내는 복사 광은 주로 가시광선 영역대에 그 에너지가 위치해 있고요. 지구는 약 270 켈빈 정도가 되는데 이 복사 광은 대부분 파장이 긴 적외선입니다. 문제는 이산화탄소층이 가시광선에 대해서는 대체적으로 투명하고요. 그래서 태양빛을 그대로 통과시키고 적외선에 대해서만 반응하고 흡수한다는 거죠. 그래서 지구에 들어오는 에너지는 그대로 놔두고 지구에서 빠져나간 에너지를 막는 것입니다. 그래서 지구의 온도가 상승합니다. 만약에 이산화탄소와 반대의 역할을 하는 가시광선을 반사시키고 적외선을 투과시키는 그런 물질이 대기 중에 있다면 반대로 지구의 온도를 낮추는 효과를 가져오겠죠. 지구온난화를 막기 위해서는 결국 그에 따른 구체적인 행동이 필요한데요. 한 단체에서는 우리가 실행할 수 있는 행동지침을 이렇게 그림으로 만들어서 배포했습니다. 여기 소 그림이 있는데요. 소가 풀을 먹고 내뿜는 트림 그리고 방귀에는 메탄가스가 많이 들어있고 이것이 이산화탄소 못지않게 온난화에 상당히 영향력을 끼친다고 합니다. 그래서 우리가 소고기를 많이 소비하면 사람들이 소를 많이 키우게 되고 온난화를 촉진시키는 거죠. 여러분이 이 표를 한번 쭉 살펴보시고 우리 각자가 할 수 있는 영역이 무엇인지 생각해보시면 좋을 것 같습니다.