일상 속 물리 - 모기약
요즘처럼 여름철이면 날파리나 모기가 많아진다. 겨울철 창고에 넣어 두었던 모기약을 꺼내어 손십게 사용할 수 있게 해야 하는 계절이 된 것이다. 집에 방충망이 잘 되어 있어서 모기가 집 안으로 잘 들어오지는 않는데, 어렸을 때 여름이면 밤에 귓가를 엥엥거리며 도는 모기 때문에 잠을 설칠 때가 많았다. 급하게 모기약을 꺼내서 모기를 향해 모기약을 뿌리면 신기하게도 모기약 용기가 차가워졌다.
모기약을 뿌렸을 때 모기약 용기가 차가워지는 것은 열역학 법칙으로 설명할 수 있다. 열역학 법칙에는 에너지 보존 법칙인 제 1 법칙과 자연에서의 변화의 방향성에 대한 제 2 법칙이 있고 절대온도 0K에서의 엔트로피에 대한 제 3 법칙이 있다.
열역학 법칙의 정리에 큰 기여를 한 사람은 독일의 물리학자이자 수학자인 루돌프 클라우지우스와 영국의 물리학자 윌리엄 톰슨 경이다. 이 두 과학자는 열역학의 법칙들을 체계적으로 정리하고 발전시키는 데 중요한 역할을 했다.
열역학 법칙이 적용되어 열을 이용하여 일을 하는 장치를 열기관이라고 한다.
열기관은 쉽게 말해서 열을 이용하여 작동하는 엔진이다. 열기관은 연료가 어디서 연소되는가에 따라 내연기관과 외연기관으로 구분된다. 외연기관은 연료가 엔진 외부에서 연소되어, 생성된 열이 작동 유체인 물을 가열하여 생성된 증기가 피스톤이나 회전 장치인 터빈을 돌려서 엔진이 일을 하게 한다. 대표적인 외연 기관으로 증기 기관이 있다.
내연기관은 연료가 엔진 내부에서 직접 연소되어 생성된 열이 작동 유체를 가열하여 일을 한다. 내연 기관 중 피스톤 엔진인 가솔린 엔진은 연료와 혼합된 공기가 실린더 내부에서 점화 플러그에 의해 폭발하여 피스톤을 움직여 일을 한다. 자동차와 오토바이의 엔진이 바로 가솔린 엔진이다.
1824년에 카르노는 그의 저서 "불의 운동에 관한 고찰"에서 이상적인 열기관, 즉 카르노 기관을 제안했다. 카르노 기관은 변화 이전 상태로 돌아갈 수 있는 가역적인 과정을 통해 일을 하며, 최대한의 효율로 열을 일로 변환할 수 있는 이상적인 열기관이다.
사디 카르노는 1796년 6월 1일, 프랑스 파리에서 태어났다. 그의 아버지 라자르 카르노는 프랑스 혁명 시기의 중요한 정치인 겸 군사 전략가로 유명했다. 라자르는 "전쟁의 대리석"이라는 별명을 가질 정도로 유능한 군사 전략가였다. 카르노는 1812년 파리의 에콜 폴리테크닉에 입학하여 수학, 물리학, 공학 등 다양한 과목을 공부했다. 이후 1814년 에콜 데 퐁에 쇼세로 진학하여 토목공학을 전공했다. 카르노는 학업을 마친 후 프랑스 육군의 공병 부대에서 군사 엔지니어로 복무했다. 그는 이 시기에 증기 기관에 대한 관심을 갖기 시작했고 카르노 기관을 제안하게 된다. 카르노는 열과 일 사이의 관계를 탐구하면서, 열역학 제2법칙의 기초를 마련하였다. 1820년대 말부터 카르노는 건강이 악화되기 시작했는데 당시 파리에는 콜레라가 유행하고 있었고, 카르노는 콜레라로 인해 생을 마감하게 된다.
카르노가 콜레라로 사망한 후, 전염병이 더 퍼질 것을 우려한 가족들이 그의 연구 노트와 개인 기록을 소각했다. 이로 인해 많은 연구 자료와 저서가 사라졌다. 당시에는 전염병의 확산을 막기 위해 환자의 소지품을 태우는 것이 흔한 일이었다. 비록 많은 연구 자료가 소실되었지만, 그의 1824년 논문은 살아남아 열기관의 이론적 효율을 정의하고, 열역학의 기초를 세우는 데 큰 역할을 하게 된다. 카르노의 연구는 이후 클라우지우스와 톰슨에 의해 발전되어 열역학 제2법칙이 될 수 있었다.
열기관이 일을 할 수 있게 하는 유체를 작동 유체라고 하는데, 열을 흡수한 고온고압의 유체가 팽창을 하면서 터빈을 돌리고 피스톤을 밀어내면서 열기관이 일을 하게 된다.
모기약 용기 속의 모기약이 모기약 스위치를 누르게 되는 순간 분사되면서 액체에서 기체로 분사되어 나간다. 그와 동시에 용기 내부의 압력이 급격히 낮아져 용기 내 기체가 팽창하게 되고, 이 과정에서 열이 사용되어 용기 내부의 온도가 낮아진다. 이를 줄-톰슨 효과라고 한다.
여름철 분리 수거장에서 쓰레기를 버리고 오면, 항상 한 두 군데 모기에게 물리곤 한다. 여름철에는 포충제도 같이 준비를 해 두여야 겠다.
