열평형과 에너지 전달 방식 : 중학교 과학

중학생들에게 지구의 복사평형을 가르치다가 이 개념이 상당히 이해하기 까다롭다는 이야기를 들었다. 인터넷에서 글을 찾아보아도 중학생들을 위한 글이 없기에 한번 써본다. 이번 편은 열평형과 에너지 전달 방식에 대해, 그리고 다음 편은 지구의 복사 평형에 대해 다루어 보려고 한다. 과학을 좋아하는 많은 학생들이 글을 읽고 도움을 받았으면 한다.

1. 뜨거운 물이 식는 이유는?

중학교 3학년 수업 중, 복사 평형에 대해 수업을 하기 이전에 학생들에게 항상 하는 질문이 있다.

뜨거운 물이 든 그릇을 오랫동안 놔두면 온도가 떨어지는 이유는 뭘까?

어찌보면 굉장히 당연하고 상식적인 현상이지만, 중학생들이 이것을 과학적으로 설명하는 것은 조금 어려운 일일지도 모른다. 간혹 중학교 2학년 때 배웠던 내용들을 기억하는 학생은 열평형으로 이것을 설명하기도 한다. 그렇다면 이번에는 열평형이 어떻게 이루어지는지, 조금 더 자세하게 살펴 보기로 한다.

2. 열평형

열평형이란, 서로 온도가 다른 두 물체의 온도가 같아지면서 열의 흐름이 없는 것을 말한다.

위와 같이 온도가 서로 다른 물체를 붙여 놓았을 때, 시간이 지나면 같은 온도에 도달하게 된다. 이때 두 물체 사이에는 열의 흐름이 없고, 열평형에 도달했다고 말한다. 그렇다면 열은 무엇일까?

3. 열과 에너지의 이동

일반적으로 어떤 물체의 온도가 높을수록 많은 에너지를 가지고 있고, 온도가 낮을수록 적은 에너지를 가지고 있다. 이때 에너지가 많은 쪽에서 적은 쪽으로, 즉 온도가 높은 물체에서 낮은 물체로 에너지가 이동하는데 이것을 열이라고 한다. 에너지를 방출한 물체는 온도가 낮아지고, 에너지를 받은 물체는 온도가 올라간다. 이러한 열의 이동은 두 물체의 온도가 같아질 때 까지 계속된다.

열의 흐름이 이러한 것은 마치 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 것 처럼 자연스러운 현상이다. 그래서 에너지의 흐름을 물의 흐름과 많이 비유하기도 한다.

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4. 열의 전달 방식

열은 크게 대류, 전도, 복사라는 세 가지 방식으로 전달된다. 대류는 에너지와 물질이 함께 이동한다. 전도는 물질을 통해 에너지가 전달되지만, 물질의 이동은 없다. 예를 들어 아래 영상에서 라면을 끓이는 것을 보고 이를 1)대류 와 2)전도의 방식으로 이해해보자.

1) 먼저 에너지 전달 방식 중 라면의 면발이 돌아가는 이유는 아래쪽의 가스렌지가 냄비 하부의 물에 에너지를 전달하여 물이 대류하기 때문이다. 그래서 끓는 라면국물에 손을 넣으면, 뜨거운 냄비에서 물로 가해진 열을 손으로 느낄 수 있다. 이는 열과 에너지가 함께 이동하는 경우이며, 이를 대류라고 한다.
2) 냄비의 손잡이를 잡아도 가스렌지에서 냄비로 가해진 에너지를 느낄 수 있다. 냄비가 냄비 속의 물처럼 움직이지는 않지만, 냄비를 통해 에너지가 손으로 전달될 수 있다. 이러한 경우는 전도를 통해 에너지가 전달되는 것이다.

5-1. 열과 복사

복사는 물질이 필요없이 에너지가 직접적으로 이동하는 것이다. 전자기파라는 형태로 에너지가 전달 되는데, 전자기파는 크게 아래와 같이 나눌 수 있다.

복사를 통해 에너지를 전달하는 방법 중에서 대표적인 예는 전자렌지이다. 전자렌지는 마이크로파를 이용하여 음식을 데운다. 전자렌지는 뜨거운 바람(대류)을 내뿜거나, 유리를 가열(전도)하여 에너지가 전달되는 것이 아니라 전자기파인 마이크로파를 이용하여 음식에 에너지를 전달한다.

5-2. 열과 복사

아래 영상은 '인형의 분신자살'이라는 제목으로 한때 유명했던 영상이다. 이 영상을 보자.

위의 영상에서 인형이 벽난로 안으로 빨려 들어가는 이유는 대류 때문이다. 벽난로 안에서 공기는 가열되고, 가열된 공기는 벽난로의 굴뚝으로 빠져나간다. 이때 빠져나간 공기의 빈 공간을 채우기 위해 방 안의 공기들이 벽난로 안쪽으로 빨려들어가는 흐름이 형성된다. 이 흐름을 따라 인형이 빨려들어간 것이다.

그렇다면 벽난로 앞에 있는 사람은 왜 따뜻함을 느낄까? 벽난로의 불에 의해 데워진 따뜻한 공기는 굴뚝으로 모두 빠져나가므로 대류로 인해 온기를 느끼는 것은 아니다. 그리고 공기중에서의 전도는 대류에 비해 상당히 느리다. 따라서 벽난로 앞의 사람에게 벽난로의 에너지는 전도와 대류 보다는 주로 복사를 통해 전달된다. 벽난로에서 방출되는 적외선, 가시광선(빛) 등의 전자기파가 사람들에게 에너지를 전달해주는 것이다. 이러한 에너지 전달 방식을 복사라고 한다.

6. 결론 : 뜨거운 물이 식는 이유

그럼 이제 처음의 질문에 대해 대답할 차례이다. 뜨거운 물이 식고, 열평형에 도달하는 이유는 무엇인가?

1) 에너지는 온도가 높은 물체에서 온도가 낮은 물체로 이동한다.
2) 이러한 에너지의 이동 방식에는 대류, 전도, 복사가 있다.
2-1) 대류 : 뜨거운 물의 위쪽에 손을 얹으면 뜨거운 공기와 함께 열이 전달된다.
2-2) 전도 : 그릇을 만지면 물에서 전달되는 온도를 느낄 수 있다.
2-3) 복사 : 눈에는 보이지 않지만, 적외선, 마이크로파 등 전자기파의 형태로 에너지가 방출된다.
3) 따라서 뜨거운 물이 식는 이유는 물보다 온도가 낮은 주변으로 대류, 전도, 복사를 통해 에너지가 방출되기 때문이다.

앞으로의 고등학교 교육과정을 위해서, 열평형과 에너지 전달 방식에 대해 잘 이해하고 있길 바란다. 지구의 복사평형에 대해서는 아래 글을 참고 바란다. 그럼 열공하길 바란다.

지구의 복사 평형 : 중학교 과학