연문위키 - 13편. 절대적이며 상대적인 온도 ②

2) 따뜻한 봄을 기다리다.

온도와 에너지

온도는 물체를 구성하는 입자들의 운동 상태, 즉 물체의 평균 운동 에너지를 수치화한 거예요. (<절대적이며 상대적인 온도 ①> 참고) 에너지는 '일을 할 수 있는 능력'을 의미합니다. 크게 '운동 에너지'와 '위치 에너지'로 구분할 수 있어요.

운동에너지와 위치에너지 관계

일반적으로 운동에너지는 열과 관련이 깊습니다. 물체(물)에 열을 가하면, 물의 온도가 올라갑니다. 다시 말해 열이 전달되면서 물 분자의 진동이 활발해지고, 운동 에너지가 올라가죠. 물 분자의 진동은 근처의 다른 분자들에게도 영향을 주어 물 전체의 온도가 올라가는 거예요.

위치 에너지는 '위치'때문에 가지고 있는 '일할 수 있는 잠재력'을 나타냅니다. 그 위치를 벗어나면 '운동 에너지'가 만들어지기 때문입니다. 공을 하늘 높이 던지면 어느 순간 멈췄다가(위치 에너지) 땅으로 떨어지게 되는데, 높이 던진 공일 수록 더 강하게 떨어지는 것을 생각하면 위치 에너지의 개념을 쉽게 이해할 수 있어요.

결국 에너지를 얻게 되면 물체를 구성하는 입자들의 운동이 활발해지고, 온도가 높아집니다. 반대로 에너지를 빼앗기면 분자의 운동이 감소하고, 온도가 낮아지는 거예요.

온도와 열

제임스 프레스콧 줄(James Prescott Joule) - 열도 에너지의 일종임을 증명했다.

온도 차이로 인해 에너지가 전달되는 것을 '열(熱, heat)'이라고 합니다. 단위로는 J(줄, Joule)을 사용해요. 열은 높은 온도에서 낮은 온도로 전달되며, 전달된 열은 다른 여러 형태의 에너지로 전환될 수 있어요. 그중 열을 전달받은 물체의 내부 에너지로 전환된 양에 비례하여 온도가 올라갑니다. 다시 말해 물체가 흡수한 열 에너지만 온도 상승에 영향을 준다는 거예요.

줄(Joule, J)
제임스 프레스콧 줄(James Prescott Joule)이 열도 에너지의 일종임을 증명해서 그의 이름을 따 줄이라고 불러요.
 
줄(J)은 1 뉴턴(N)의 힘으로 물체를 1 미터 이동하였을 때 필요한 에너지를 나타내는 국제단위입니다. (1J = N·m)
그리고 전기 에너지에서의 1J는, 1 볼트 전압, 1 A 전류가 1초 동안 흘렀을 때의 에너지이기도 해요.

상온의 실내 공간에서 35℃ 의 미지근한 물 한잔에 얼음 조각을 넣었다고 상상해 봅시다. 결과는 다들 아시겠죠? 미지근한 물의 분자가 얼음 분자보다 더 활발히 운동하고 있을 겁니다. 온도가 높으니 운동에너지도 높겠지요.

열은 상대적으로 높은 온도에서 낮은 온도로 전달되므로 얼음 분자의 운동 에너지가 올라가 얼음의 온도도 높아집니다. 왜냐하면 미지근한 물과 얼음이 만나면, 미지근한 물의 분자가 이웃한 얼음 분자들과 충돌하면서 진동을 주어 주변 분자도 운동하게 만드는데 이게 바로 열의 전달 과정이기 때문이에요. 이 현상은 미지근한 물과 얼음 분자의 운동에너지가 같아질 때까지 계속됩니다. 결국 얼음이 녹고 물이 되겠죠.

하지만, '온도가 높다 = 에너지가 많다'는 아닐 수 있어요. 온도는 물질을 이루는 분자들의 평균 운동 에너지를 수치화한 거지만, 열은 물질의 운동 에너지 총량을 말하기 때문이에요. 예를 들어 '100℃의 물 한 방울'이 '40℃의 물 한 컵'보다 온도(평균 운동 에너지)가 높지만, 열전달(총 운동 에너지)은 40℃의 물 한 컵이 훨씬 잘할 거예요. 작은 얼음 알갱이가 어디에서 더 잘 녹을지를 생각해 보면 간단합니다.

다시 말해, 열은 에너지이지만, 온도는 에너지의 많고 적음을 의미하는 것은 아닙니다.

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열이 전달되는 형태

앞에서 말씀드린 것처럼 열은 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 전달됩니다. 물체의 특성과 주변 환경에 따라 열의 전달방식은 전도, 대류, 복사로 구분할 수 있어요.

① 전도(Conduction)는 물체 간 접촉되는 형태로 열이 전달되는 것입니다. 뜨거운 찌개에 담가둔 국자를 생각해 보시면 됩니다. 국자의 손잡이는 찌개 바깥에 있지만 뜨거운 찌개에 담긴 부분에서부터 열이 전달되어 국자의 손잡이까지 뜨거워지는 거예요. 하지만 열의 전도는 물체끼리 접촉을 해야만 가능하고, 다른 방법보다 열의 이동이 매우 느리고 비효율적인 편에 속해요.

전도(傳導)(전할(전), 인도할(도)), thermal conduction)
전도는 열 뿐만 아니라 에너지(전류, 열, 파동 등)를 중간 매개체를 통해서 전해주는 것을 의미해요. 그중 열전도는 열이 고온 부분에서 저온 부분으로 이동하는 것을 말합니다.

특히 전기를 잘 전달하는 물체를 전도체(Conductor), 전기를 전달하지 않는 물체를 부도체(nonconductor/insulator)라고 합니다. 예를 들어 전선 안의 물체는 전도체이고, 전선 바깥의 피복은 부도체로 만듭니다. 그리고 앞에서 설명한 초전도체는 전기를 전달할 때 저항이 0 인 물체입니다.
 
반도체(Semi-Conductor)는 특정 조건에서만 전기를 통하게 하는 물질입니다. 그래서 2진법의 수 체계를 가진 컴퓨터 시스템과 찰떡궁합이에요.

주요 물질별 열전도도 - 왜 건식사우나에서 잘 견딜 수 있는지 알 수 있다. 하지만 다이아몬드로 이루어진 방이라면?

열전도의 비효율성 덕분에 우리가  100℃의 건식 사우나에서는 멀쩡할 수 있는 거예요. 60℃의 물에서는 화상을 입는데도 말이에요. 어떻게 온도가 더 높은 건식 사우나가 더 편하게 느껴질까요? 건식 사우나는 사우나 내부 공기 중 습도가 100% 미만인 사우나를 의미합니다. 다시 말해 공기 중에 물 분자가 적게 있다는 거예요. 단위 부피 당 액체의 분자 수가 기체보다 700배나 많아요. 그래서 상대적으로 습도가 높은 습식 사우나는 50~70℃ 정도가 한계일 수밖에 없겠죠. 그래도 같은 온도의 물에 들어가는 것보단 시원하겠죠?

대류 - 유체가 순환하면서 열을 이동한다

② 대류(Convection)는 주로 기체나 액체와 같은 유체를 매개로 하는 열의 전달 방법입니다. 따뜻해진 유체의 흐름에 의해서 열이 고온 부분에서 저온 부분으로 이동하는 현상이죠. 전도처럼 인근의 물체에 영향을 주는 것이 아니라 유체가  순환하면서 직접 열을 전달합니다. 물질이 순환을 반복하며, 유체가 직접 에너지를 전달하기 때문에 비교적 에너지 효율이 높은 방법이에요. 미지근한 욕조물 한편에 뜨거운 붓고 가만히 있어도 욕조물 전제가 따뜻해지는 현상에서 잘 알 수 있어요. 하지만 공기가 없는 진공 상태에서는 열을 전달할 유체가 없어서 대류 현상이 발생하지 않습니다.

유체(流體(흐를(유)), fluid)
고체와 달리 외부의 작은 힘에도 견디지 못하고 쉽게 변형되면서 움직이는 액체나 기체 상태를 말합니다. 쉽게 말해서 흐를 수 있는 물질입니다. 고체처럼 특정 모양이 있는 것이 아니고, 다양한 형태로 변하기 때문에 유체의 상태에 대한 연구는 매우 중요합니다. 이러한 유체의 유동 현상을 다루는 학문으로 유체역학(流體力學, fluid dynamics)이 있습니다.

스토브는 바닥에 설치한다

우리 집 거실을 잘 살펴보면 에어컨은 위쪽에, 스토브(난로)는 아래쪽에 설치되어 있습니다. 공기의 대류 현상 때문이죠. 스토브에서 나오는 따뜻한 바람은 주변 공기의 온도가 올라가게 합니다. 분자 운동이 활발해지죠. 그래서 따뜻한 공기는 차가운 공기에 비해 분자들의 운동 공간이 더 커져서, 밀도가 낮아요. 부피가 커지고, 더 가볍다는 거예요. 그러니 자연스레 따뜻한 공기는 위로 올라가서 거실을 순환하게 돼요. 액체도 마찬가지인데, 주전자의 바닥면만 뜨겁게 해 줘도 대류 현상으로 인해 주전자 바닥의 뜨거운 물이 위로 올라가 순환되는 거예요.

하지만, 에어컨에서 나오는 찬 바람은 주변 공기에 비해 분자 운동이 활발하지 않아 밀도가 더 높습니다. 부피가 작아지고, 더 무거워요. 그래서 높은 곳에서 에어컨을 틀어줘야 거실 전체가 시원해지는 거예요.

바닷물이 흐르고, 바람이 부는 것도 다 대류에 의한 현상입니다. 적도와 극지방의 온도차, 대륙과 바다의 온도차, 밤과 낮의 온도차 등 온도의 차이 때문이지요.

태양 복사열의 이동 경로

③ 복사(radiation)는 열이 전자기파의 형태로 운반되는 에너지 전달 방식입니다. 이를 복사파라고 해요. 원자 내부의 전자는 열을 받을 때 에너지를 얻고, 전자기파를 방출하는데, 이러한 전자기파에 의해 열이 매질을 통하지 않고 저온의 물체로 직접 전달되는 거예요. (연문위키 - 1편. 봄(See) ②편 참조)

0 K(절대영도) 이상 온도의 모든 물체는 복사파를 통해 에너지를 방출할 수 있습니다. 공간이나 물질을 통해 에너지를 전달할 수 있어요. 방사라고도 부릅니다. 다시 말해 방사선도 복사파와 같은 말이에요. 복사파도 빛이기 때문에 복사열도 빛의 속도로 전달됩니다. 그러니 전도나 대류에 비해 엄청나게 빠르고, 더 직접적인 열전달 방식입니다. 전도나 대류와는 달리 열을 전달하는 매개체가 없어도 돼요. 심지어 진공 상태에서도 빛의 속도로 전달됩니다.

물체의 온도가 방출되는 빛을 결정한다.
행성도 예외는 아니다.
금성은 수성만큼 밝지는 않아도 아스토라파지의 눈에 띄었을 것이다.
'색깔'이 달랐을 테니까.
- 프로젝트 헤일메리 중에서

복사는 태양의 열이 지구까지 올 수 있는 방식이에요. 태양이 수소 핵융합 반응을 통해 열을 받아, 전자기파를 내보내는데, 이 열을 지구가 흡수하는 거예요. 태양이 직접 열을 지구로 가져다주는 거죠.

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전도, 대류, 복사를 공놀이로 예를 들어 쉽게 다시 한번 정리해 볼게요. 나와 공을 받을 사람 사이에 5명의 사람이 있다고 해볼게요. 전도는 바로 앞의 사람에게 공을 전달하고, 그 사람이 또 앞사람에게 전달하는 과정을 반복하는 거예요. 대류는 내가 직접 공을 들고 전달하는 거죠(차가운 공이면 아래로, 뜨거운 공이면 위로). 그리고 복사는 공을 던져서 전달하는 거에요. 

참 쉽죠?