냉난방기의 원리 이해하기
냉난방기의 원리 이해하기
여기 물컵이 하나 있는데요. 이 물의 온도를 높이고 싶으면 어떻게 하면 될까요. 스푼으로 휘저으면은 물 분자의 운동이 활발해지면서 온도가 오르겠죠. 물론 커피를 마실 만큼 온도를 높이려면 여러분의 팔이 떨어져 나갈 지경이 될 겁니다. 고체의 경우는 두 물체를 문지르면 분자들이 진동이 커지니까 또 온도가 오릅니다. 이런 고체 분자들이 있다고 했을 때, 이렇게 문지르면 고체 분자들이 진동이 커지겠죠. 그래서 우리가 추울 때 양손을 비비는 것이 바로 그런 이유고요. 또 어떤 물체를 태우면 산소와 결합하면서 그때 열이 나오고 그 열로 이런 물을 데울 수도 있습니다. 석유난로가 사용하는 방법이죠. 전기난로에서는 전류를 가지고 열을 일으키는데요. 이렇게 니크롬선 같은 전선의 원자 사이에 전자가 지나갈 때, 이 원자들과 충돌하면서 열이 발생합니다. 이렇게 열을 내기 위한 방법은 꽤 다양합니다. 그런데 사실 열을 내기 위해 전기히터를 사용하는 것은 참 비효율적입니다. 왜냐하면 전기로 무슨 일을 하든 결국은 거기서 열이 나오거든요. 빛을 내기 위해 전구를 켜도 또 , 서류작업을 위해 컴퓨터를 켜도 TV를 사용해도 결국 그 대부분의 에너지가 최종적으로는 열로 바뀝니다. 그런데 전기난로는 전기를 가지고 다른 아무일은 하지 않고 오로지 열만 만드는 데 쓰는 거니까, 전기를 아주 덜 가치있게 사용하는 전기 제품이다라고 말할 수가 있죠. 이렇게 물체 온도를 높이는 것은 비교적 쉽습니다. 그렇다면 온도를 낮추려면 어떻게 될까요? 온도를 낮춘다는 말은 분자들의 운동 속도를 낮춰야 된다는 것인데요. 예를 들어서 어떤 고체의 분자들이 심하게 흔들리고 있을때, 이 분자들의 진동을 약화시켜야 됩니다. 이렇게 손으로 잡으면 분자들이 진동이 진정될 거 같긴 한데요. 사실 이것은 현실적으로 불가능합니다. 왜냐하면 분자들과 접촉하고 있는 제 손도, 제 손에 있는 분자들이 계속 진동하고 있기 때문에 진동하는 분자들 둘이 만나서 그걸 진동을 약화 시킬 수는 없는 거죠. 그래서 이렇게 차갑게 하려는 물체보다 진동이 더 적은 물체, 다시 말해서 더 차가운 물체를 갖다 대야만 이 물체 온도를 낮출 수가 있는 거죠. 그런데 만일 이 주변 어디에도 차가운 물체가 없으면 이 물체 온도를 낮추는 것이 굉장히 어려운 일이 되는 거죠. 자 , 아까는 차가운 물체끼리는 서로 만나서 비비고 불을 지르고 하면은, 모두 함께 온도를 올릴 수 있다고 했습니다. 하지만 뜨거운 물체만 있는 곳에서 차가움을 만들어 내는 것은 굉장히 어려운 거죠. 예를 들어서 이방에 모든 물체가 현재 30도의 온도라고 했을 때, 이 방의 온도를 40도로 높이고 싶다. 이건 가능합니다. 하지만 30도의 방에 온도를 20도로 낮추고 싶다. 이것은 어려운 일이 되는 거죠. 그래서 차가움과 뜨거움은 동등하지 않다는 겁니다.
냉방기 원리
과연 이런 냉방기는 어떤 원리로 물체를 차갑게 할 수 있는지 알아보겠습니다. 먼저 이 방에 존재하는 공기 온도를 낮추는 법을 생각해 봅시다. 공기 분자들이 공처럼 굉장히 빠른 속도로 이 방을 날아다니면서 벽과 천장, 바닥에 부딪히고 있는데요. 하지만 기체 분자가 벽과 부딪힐 때 벽이 정지해있는 상태가 아니라 움직이는 상태라고 해 보십시오. 만약에 벽이 앞쪽으로 다가오고 있다면, 분자는 평소보다 더 빠른 속력으로 튀어 나옵니다. 만약 분자가 와서 부딪힐 때 벽이 뒤로 물러서고 있다면, 분자가 부딪힐 때 분자의 속력이 더 늦어집니다. 이건 여러분이 탁구를 치실 때 그 경험을 떠올려 보시면 되겠는데요. 상대방에게 이제 강한 스매싱을 날리고 싶을때는 라켓을 앞으로 쭉 밉니다. 그러면 탁구공이 속력이 빨라지죠. 반대로 상대방에 공을 받을 때 라켓을 뒤로 빼면서 받으면 공이 힘없이 바로 앞에 떨어지지 않습니까 ? 이렇게 벽이 움직이고 있을 때는, 거기서 튀어나오는 공의 속력에 변화를 줄 수 있다는 거죠. 자 , 그럼 이 원리를 이용해서 이 방의 공기 온도를 낮출 수 있겠습니까? 네 그렇죠. 이 방의 벽을 뒤로 쭉 밀어버리면 됩니다. 근데 그렇게 하면 이 방의 기압이 떨어질테고 제가 숨쉬기 힘들테니까 이건 좋은 방법은 아니죠. 방의 벽을 움직이는 것은 위험하니까 대신 다른 방법을 생각해보고, 주사기로 설명을 해 보겠습니다. 이 주사기 안엔 공기가 들어있는데요. 공기가 이 주사기의 피스톤에 계속 부딪히고 있습니다. 이떄 이 피스톤을 뒤로 빼면 공기 분자들이 이 피스톤과 부딪히는 순간마다 속력이 조금씩 줄여듭니다. 그래서 이 주사기 안에 공기는 약간 차가워지는거죠. 즉, 이 때 온도보다 이렇게 빼고 나서 온도가 더 떨어집니다. 반대로 피스톤을 앞으로 밀게 되면 여기를 부딪치면서 공기 분자들의 속력이 빨라지고 온도가 올라가는 거죠. 여러분이 기체의 부피가 팽창하면 온도가 떨어진다. 이런 얘기를 많이 들어보셨을텐데요. 그 이유가 바로 팽창하는 동안에 공기의 경계가 뒤로 물러나고 그때마다 기체 분자가 느려지기 때문입니다. 그럼 이런 생각하는 사람도 있을 것 같습니다. 공기 분자가 아무 공기 분자도 부딪히지 않는 그런 순간만 골라가지고, 피스톤이 조금씩 움직인다면 어떻게 될까? 정말 그렇게만 할 수 있다면 온도 변화를 일으키지 않고도 기체의 부피를 줄이거나 늘릴 수가 있습니다. 그렇지만 실제로는 공기 분자들이 너무 빽빽하게 존재하고 이런 상황을 만드는 것이 현실적으로 불가능해서 우리가 그런 것을 생각하지 않지만 상상으로는 가능한 일이라고 할 수 있겠습니다. 그래서 우리가 밀폐되어 있는 공기의 부피를 바꾸면 온도를 바꿀수 있다.
부피 변화와 온도에 관한 실험
이것을 한번 실험으로 확인해 보겠습니다. 여기 진공 상자 안에 디지털 온도계를 넣어두었습니다. 지금 이 온도계가 26. 6도를 가르키고 있습니다. 참고로 이 온도계는 온도에 따라 금속의 전기저항이 바뀌는 성질을 이용해서 온도를 재고 있습니다. 여기다가 표시 해두구요. 제가 내부 공기를 빼 보도록 하겠습니다. 아까 26. 6도 정도 됐는데요. 25. 8도로 내려갔네요. 일단 여기까지만 해보겠습니다. 현재 온도가 25. 4도 입니다. 그래서 1도가 좀 넘게 내려갔는데요. 아까는 제가 공기의 부피를 팽창시키거나 압축 시킬 때 온도가 바뀐다고 했는데 지금은 부피가 그대로고 단순히 공기 분자를 빼냈다는 느낌이 들잖아요. 그래서 여러분들이 왜 이 경우에 온도가 내려가느냐?라고 물어볼 수 있을 텐데요. 이 경우에도 역시 움직이는 벽이 작용한겁니다. 왜냐면 여러분이 피스톤을 위로 뽑을 때 여기 피스톤이 뒤로 물러나면서 거기에 부딪히는 공기 분자들의 속력이 느려진거죠. 피스톤을 밑으로 내릴 때는 그럼 다시 온도가 올라가야 되는데 그때 저희가 공기에 대해서 배울 때 말씀드렸듯이 이걸 내릴 동안에는 여기 안의 막이 차단되면서 여기 있는 공기가 이 안으로 더이상 들어가지 않습니다. 그래서 역시 피스톤이 움직이는 벽의 역할을 해 준 것이고, 그래서 온도가 내려갔다고 할 수 있습니다. 다시 공기를 집어넣어 보고요. 좀 시간이 걸리겠지만 점차 다시 공기 온도가 올라갑니다. 하지만 이렇게 겨우 온도 1. 5도, 2도 이런 정도 낮추는 것으로는 우리가 시원한 에어컨을 만들 수가 없겠죠. 그 사람들은 이제 고민을 했습니다. 공기 보다 훨씬 더 좋은 효과를 내는 물질이 있을까? 그래서 그런 물질을 찾은 것이 바로 우리가 흔히 말하는 '프레온가스'라는 냉매입니다. 이 주사기에 액체 상태인 프레온이 들어있다고 한번 가정을 해보겠습니다. 지난번에 95도 정도의 물을 진공 상자 안에 넣고 압력을 낮췄더니 물이 끓으면서, 수중기로 변하는 것을 보신 적이 있을 겁니다. 물과 마찬가지로 프레온가스도 압력이 높은 상태에서는 액체가 되고요. 압력이 낮아지면 기체로 바뀝니다. 압력이 낮아져서 기체로 바뀔 때는 물이 증발할 때와 마찬가지로 주변의 열을 빼앗아갑니다.
냉방기의 작동 원리
여러분이 부탄가스통이나 이런 먼지제거제를 사용 하실 때 이게 가스를 바깥으로 게속 뿜다보면 가스통이 굉장히 차가워 지는 것을 느껴보셨을 겁니다. 이것도 마찬가지로 내부 물질이 액체 상태로 들어있는데요. 이 가스를 빼내면서 내부의 압력이 떨어지고 그래서 이 액체 중 일부가 기체로 바뀌면서 주변의 열을 흡수한 것입니다. 즉, 프레온의 액체가 들어있는 주사기에서 여기다 액체의 프레온을 넣어놓고 주사기의 피스톤을 뽑으면 프레온이 기체로 변하면서 이 주사기가 차가워 지는거죠. 이 때는 그냥 기체만 사용할 때와 달리 온도를 10도, 20도 이렇게까지 낮출 수가 있습니다. 이렇게 차가워진 주사기에다가 바람을 불어가지고 이 찬 기운을 이쪽으로 날립니다. 그러면 여기 있는 친구들이 굉장히 시원함을 느끼겠죠. 하지만 이제 이렇게 바람을 계속 불다 보면 이 주사기도 이제 미지근해져 버리고, 더 이상 여기 있는 친구들이 시원하지 않다고 말합니다. 아니면 여기에 있는 프레온을 내버리고 다시 새로운 프레온을 채운 다음에 이걸 팽창을 시켜야 되는데 이렇게 되면 엄청난 자원 낭비가 되겠죠. 게다가 이 프레온가스는 대기 오존층을 파괴 한다고 알려져 있으니까 절대 이렇게 해선 안되겠습니다. 그래서 사람들이 생각해 낸 아이디어는 이겁니다. 아까 여기서 차가운 바람을 다 내어놓고 미지근해진 프레온가스를 이번에는 압축을 시킵니다. 그럼 이제 기체로 바뀌었던 프레온가스가 액체로 바뀌면서, 이번에는 열을 많이 내어놓기 때문에 이 주사기가 굉장히 뜨거워집니다. 이 뜨거운 주사기를 일단 식히고 싶은데 이쪽에다가 식히면은 이쪽 사람들이 싫어하니까 이제 이쪽에 가서 식힙니다. 여기다가 바람을 불어가지고 이쪽에서 식혀 오고요. 미지근해지면 다시 팽창을 시켜서 차갑게 만들고 이쪽에다가 차가운 바람을 내어줍니다. 다시 뜨겁게 압축을 해서 뜨거워지면 이쪽에다 뜨거운 바람을 내밀고요. 이걸 계속 왔다 갔다 하면서 반복하는 거죠. 그럼 적어도 이쪽에 있는사람은 계속 시원함을 느낄수가 있는거죠. 이게 바로 냉방기의 원리입니다. 그래서 냉방기의 동작 방식을 간단한 그림으로 표현하면 이렇게 나타날 수 있습니다. 먼저 냉매를 강제 압축 해가지고 고온의 액체로 만든후에 바깥으로 내보내서 바깥공기로 열을 식힙니다. 이제 액체 상태인 냉매를 강제 팽창해서 차가운 기체로 만든 다음에 이걸 냉장고 안에 넣고요. 거기서 내부 열을 흡수해서 냉장고 안에 음식물을 차갑게 만듭니다. 이 과정을 반복하기 위해서 에어컨이나 냉장고는 계속 내부 가스를 압축 팽창을 위한 펌프질을 해야 되고 여러분이 듣는 냉방기의 소음 있죠. 그게 바로 이렇게 압축 팽창하는 위에서 모터가 돌아가는 소리입니다.