이번 내용에서는 <"냉각보다 가열이 더 쉽다"는 사실일까?… 의외로 모르는, 냉장고의 냉각 원리>에 이어, 냉각에 대해 자세히 살펴봅니다.
※본 기사는 다구치 요시히로의 『다시 배우는 고교 물리, 좌절한 사람들을 위한 초입문』에서 발췌 및 편집한 것입니다. 다구치 요시히로의 『다시 배우는 고교 물리, 좌절한 사람들을 위한 초입문』에서 발췌 및 편집한 것입니다.
어떻게 하면 냉각할 수 있을까 사진: 현대 비즈니스
냉각보다 가열이 더쉬운이유는 무엇일까?
열로부터 일을 만들어내는 열기관은 다양한 종류가 있는 반면, 냉각기는 그다지 다양한 종류가 없습니다.
우리에게 가장 친숙한 에어컨의 냉방 기능을 예로 들어 열교환을 통해 온도를 낮추는 방법을 설명해봅시다. 에어컨은, 기체나 액체 등을 사용해 열을 교환함으로써 실내의 온도를 낮추거나 올리는 공조 장치입니다. 열을 이동시키기 위한 유체(기체 혹은 액체)를 냉매라고 합니다. 에어컨에서는 주로 수소와 플루오린 및 탄소의 화합물이 냉매로 사용됩니다.
그림을 참고하면서 설명해보겠습니다. 먼저 실내기의 열교환기에서 방의 따뜻한 공기를 모아 냉매를 가열합니다. 가열된 냉매는 실외기로 보내져 압축기에서 압력을 가해 더욱 고온이 됩니다.
그리고, 고온이 된 냉매는 실외기의 열교환기를 통과할 때 외기(外氣)에 열이 전달되며 팬에 의해 따뜻한 바람이 실외로 방출됩니다. 저온이 된 냉매는, 또한, 감압기를 사용해 부피가 원래 크기로 돌아감으로써 더욱 저온이 됩니다. 이와 같이 냉각된 냉매는 실내기로 보내져 열교환기를 통과해 차가운 바람을 내보냅니다. 이것이 에어컨으로 공기를 냉각하는 기본적인 원리입니다.
실제 에어컨에서는 더 효율적인 냉각을 위해 단순히 냉매를 압축해 고온으로 만드는 것뿐만 아니라, 기체가 액체가 될 때의 잠열을 이용해 더 큰 열교환이 가능하도록 합니다.
잠열이란, 고체에서 액체로, 액체에서 기체로(혹은 그 반대)로 물질이 변할 때, 온도 상승을 동반하지 않은 상태로 변할 때 소비되는 열을 말합니다. 문자 그대로 온도 상승을 동반하지 않는 "숨어 있는 열"입니다. 일상적인 예로는, 주사를 맞을 때 팔을 소독 알코올로 닦으면 차갑게 느껴지는데, 이것도 액체인 알코올이 기화할 때 팔에서 열을 빼앗기 때문입니다. 이것도 잠열이 일으키는 현상입니다.
에어컨에서는, 기체 냉매에 고압을 가해 압축하면 고온을 발하며 액체로 변합니다. 이 액체가 감압되어 다시 기체로 돌아갈 때는, 소독 알코올의 예와 마찬가지로, 주위에서 열을 빼앗습니다.
이와 같이, 냉각기는 압축에 의한 냉매의 액화로 인해 발생하는 방열과, 감압에 의한 냉매의 기화로 인해 발생하는 흡열을 이용해, 그 냉각 효과를 더욱 높이고 있습니다.
안타깝게도 이 기체를 압축하면 액체가 되어 열을 발한다는 현상을 우리가 눈으로 볼 일은 드물어 그렇게 말해도 실감이 나지 않을 것입니다. 그 이유는, 우리에게 가장 친숙한 기체인 대기는 아무리 압축해도 액체가 되지 않기 때문입니다. 대기가 압축되어 액체가 되려면 훨씬 낮은 온도가 되어야 하므로, 우리가 대기가 액체가 되는 모습을 볼 일은 거의 없습니다.
한편, 우리에게 가장 친숙한 액체인 물은, 상온에서는 액체이므로 이것도 기체(수증기)에서 압축되어 액체가 되는 것을 볼 수 없습니다. 수증기가 액체(물)로 돌아갈 때는 압축되는 것이 아니라 온도가 내려가서 액체로 돌아가는 경우가 압도적이므로 "기체가 액체로 돌아갈 때는 발열합니다"라고 해도 실감이 나지 않습니다.
결과적으로, 이른바 냉방을 기능하게 하려면 상온에서 쉽게(압축이나 팽창으로) 액체나 기체로 변해주는 특수한 물질, 즉 일상적으로 존재하지 않는 물질을 사용해야 합니다. 그 조건을 만족시키는 것이 프레온가스였습니다. 나중에 프레온가스는 오존층 파괴 등 지구 환경에 치명적인 영향을 미친다는 것이 밝혀져 제조가 금지되었습니다.
결국, 프레온가스 같은 일상적으로 존재하지 않는, 즉 어쩌면 위험할 수도 있는 것을 냉방이라는 일상적인 것에 사용하게 된 것은 바로 우리가 일상적으로 "기체가 압축되어 액체로 돌아가 발열하는 모습을 본 적이 없다"는 사실과 상반되었기 때문입니다. 그것이 쉽게 일상적으로 눈에 보이는 현상이었다면 프레온가스 같은 특별한 것을 사용하지 않고도 일상적인 물질로 간단히 냉방 장치를 만들 수 있었을 것입니다.
앞서 말한 것처럼, 열역학적으로는 물건을 가열하는 것보다 냉각하는 것이 더 쉬운데도 불구하고, 우리의 인식은 반대입니다. 그것은 열을 만들어내는 방법은 여러 가지 물질을 연소시키는 것으로 가능하지만, 일을 해서 열을 추출할 수 있는 구조가 기체의 팽창과, 액체의 증발 정도밖에 없기 때문일 것입니다.
기체의 팽창은, 열역학 제1법칙에서, 일과 열의 합이 일정하다는 제약이 있으므로, 일을 시켜서 열을 흡수하게 할 수 있고, 액체가 증발하여 기체가 될 때 주위에서 잠열을 빼앗기 때문에 냉각에 사용할 수 있습니다. 하지만, 그 외에 일을 해서 열을 추출하는 방법은 거의 생각할 수 없습니다.
제가 아는 몇 안 되는 예외는 가스 흡수 냉각기라는 것입니다. 이것은 외부에서 일을 하는 대신 열을 가함으로써, 전체적으로는 냉각이 가능한 신기한 장치입니다. 자세한 설명은 다음 그림을 참조하시면 되겠지만, 가스 흡수 냉각기는, 일은 특별히 하지 않으며, 외부에서는 수용액을 강제로 증발시킬 때 필요한 열만 공급됩니다. 왜 이렇게 복잡한 방법을 사용하는가 하면, 이렇게 하면 동력 없이 냉방이 가능하기 때문입니다.
가스 회사에서도 냉방을 제공할 수 있다는 말을 들은 적이 있을 텐데, 이는 가스 냉방을 사용하는 것이 아니라 가스 히트 펌프라는 별개 물건입니다.
이것도 액체가 증발할 때의 흡열을 사용하는 것은 동일합니다. 어디에서 가스를 사용하는가 하면 기체를 압축하여 액체로 만드는 동력에 가스로 작동하는 엔진을 사용합니다. 그리고 대기압 하에서 액체가 기화할 때 주위에서 열을 빼앗음으로써 냉각을 실현합니다.
실제로 많은 가스 회사가 대규모 시설(예를 들어, 우에노 동물원이나 도쿄 돔, 롯폰기 힐스 등이 해당된다고 합니다)을 대상으로 냉방 장치를 판매하고 있으며, 우리도 모르는 사이에 이러한 가스를 사용한 냉각기의 혜택을 받고 있는 것입니다(가스를 사용한 냉방에는 "내추럴 칠러〈흡수식 냉온수기〉"라는 것도 있는데, 이는 여기서 설명한 열역학의 원리만으로는 설명할 수 없으므로 생략합니다).
가열이 쉽게 되는 것은 연소라는 반응이 있기 때문입니다. 연소를 사용하지 않고 가열하라 하면 어려울 것입니다. 연소는 일종의 연쇄 반응입니다. 연쇄 반응이란 한 번 반응이 시작되면 스스로 계속 진행되는 반응입니다. 핵무기가 무서운 것은, 한 번 핵분열이 시작되면 계속 반응이 진행되어 엄청난 열이 발생하기 때문입니다. 연소는 일정 온도 이상이 되면 시작되고, 한 번 시작되면 연소로 인해 발생한 열이 그 "일정 온도 이상"을 유지해주므로 연쇄 반응이 진행됩니다.
우리 주변에는 탄수화물과 산소라는 반응 물질이 보통 존재하고, 고온만 실현되면 쉽게 연소 반응이 진행됩니다. 한편, 연소라는 편리한 연쇄 반응은 "고온", 즉, 인간의 손을 거치지 않으면 쉽게 존재하지 않는 트리거가 있어야 시작됩니다. 인간은, "고온"이라는 트리거를 능숙하게 사용함으로써, 연소 반응을 자유롭게 조작할 수 있어, 가열이 쉬운 것처럼 보이는 것입니다.
여기서 의문이 생깁니다. 왜 냉각은, 연소와 마찬가지로, 일정 온도 이하로 하지 않으면 시작되지 않고, 한 번 시작되면 멈추지 않는 연쇄 반응이 되지 않는 것일까요.
그것은, 일정 온도보다 높은 상태는 인공적으로 만들지 않으면 존재하지 않지만, 낮은 상태는 반드시 존재하게 되어 있기 때문입니다. 거시적으로 보면, 공간은 균일하지만 국소적으로 보면 변동이 있어, 주위보다 온도가 낮은 곳은 확실히 존재합니다. 온도가 높은 쪽은 외부에서 열을 가하지 않으면 만들 수 없지만, 낮은 쪽은 변동으로 인해 우연히 온도가 낮은 곳이 생기므로, 만약 연쇄 반응이 된다면, 거기서 한 번 반응이 시작되면, 계속 온도를 낮추면서 지속될 것입니다.
즉, 연쇄 반응으로 온도가 내려가는 냉각 반응이 만약 존재했다면, 인간이 개입하지 않아도 스스로 시작될 가능성이 높습니다. 스스로 진행된다면, 그 반응이 시작되는 "전" 상태는 곧 사라지게 됩니다. 그래서 원하는 때에 냉각 반응을 시작할 수 있는 연쇄 반응은 존재했다 하더라도 스스로 진행되어 사라지기 때문에, 인간이 원하는 때에 시작할 수 없습니다. 이것이 "가열보다 냉각이 어렵다"고 느끼는 이유입니다.