단열과 열팽창

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성취 기준

건축을 포함한 다양한 열에너지 관련 기술에 단열, 열팽창 등이 활용된 예를 조사함으로써 과학의 유용성에 대한 가치를 인식할 수 있다. 

물리학 전개도

 

판서 조직도

출처 https://blog.naver.com/huvistory/223818514153

 

북극곰의 털은 흰색처럼 보이지만 실제로는 거의 투명하며, 털 속은 대부분 빈 공간입니다. 그런데 이상하지 않나요? 보통은 속이 꽉 차 있어야 따뜻할 것이라고 생각하는데, 어떻게 비어 있는 털이 혹독한 북극의 추위로부터 북극곰을 지켜 줄 수 있을까요? 이번 시간에는 '텅 비어 있음'이 지닌 가치를 물리학으로 살펴보는 단열과 열팽창입니다.

 

1. 열과 관련된 현상

에너지는 상황에 따라 입자나 파동에 의해 운반됩니다. 물리학에서는 이러한 에너지의 이동 방식을 크게 일과 열로 구분해요. 일은 힘에 의해 에너지가 전달되는 것이고, 열은 온도 차이로 인해 에너지가 이동하는 현상입니다.

1) 열의 이동

① 전도

 

전도는 고체에서 주로 일어나는 열의 이동 방식입니다. 온도가 높은 곳에서는 분자 운동이 활발하며, 가열된 분자가 주변 분자에 에너지를 전달하면서 열이 고온에서 저온으로 이동해요.

 

열전도 관계식

 

열은 고열원에서 저열원으로 고체 막대를 통해 전달됩니다. 이때 전달되는 열의 양은 고열원과 저열원의 온도 차 T1−T2 뿐만 아니라, 고체 막대의 길이 L과 단면적 A에도 영향을 받아요.

 

 

따라서 전도에 의한 열의 이동을 줄이려면 접촉한 물체 사이의 온도 차와 접촉 면적을 줄이고, 열이 이동하는 거리를 길게 해야 합니다. 또한 열전도율이 낮은 소재를 사용하면 열의 이동을 더욱 효과적으로 억제할 수 있어요.

 

② 대류

 

대류는 온도에 따른 액체나 기체의 밀도 차로 인해 열이 이동하는 방식입니다. 가열된 유체는 위로 상승하고 차가운 유체는 아래로 하강하며 순환하고, 이 과정에서 열이 전달됩니다.

 

③ 복사

 

태양이나 난로가 우리에게 보내는 것은 엄밀히 말하면 열이 아니라 빛, 즉 전자기파입니다. 전자기파는 진공에서도 이동할 수 있으므로 물질이 없어도 에너지를 전달할 수 있어요. 우리 피부는 전자기파의 에너지를 흡수하여 온도가 올라가고, 그 결과 따뜻함을 느끼게 되는 겁니다. 이처럼 전자기파, 파동을 통해 에너지가 전달되어 열이 이동하는 과정을 복사라고 해요.

 

 

적외선 카메라가 물체에서 방출되는 적외선을 감지해 온도를 측정하는 것도 복사의 대표적인 예입니다.

 

2) 열팽창

 

샤를의 법칙에 따르면 압력이 일정할 때 기체의 부피는 온도에 비례하여 증가합니다. 이처럼 온도 변화에 따라 물질의 크기가 변하는 현상을 열팽창이라고 해요. 고체도 온도가 높아지면 길이와 부피가 증가하는 열팽창을 일으킵니다. 

 

 

바이메탈

 

바이메탈은 열팽창 정도가 다른 두 금속을 붙여 놓은 장치입니다. 바이메탈의 온도가 올라가면 열팽창 정도가 작은 쪽으로 휘어지면서, 회로의 연결이 끊어지므로 전류가 흐르지 않게 돼요. 이와 같이 바이메탈은 전기다리미, 전기주전자, 전기난로 등 온도 조절이 필요한 다양한 전기 기구에 활용됩니다.

 

2. 열현상을 고려한 건축 기술

1) 철로 이음매

 

기차를 타다 보면 '철커덩, 철커덩' 하는 소리를 들어본 적이 있을 것입니다. 왜 이런 소리가 나는 걸까요? 철로는 온도 변화에 따라 팽창하고 수축합니다. 따라서 철로 사이에 적당한 틈을 두어 열팽창으로 인한 변형을 방지하는 거예요. 기차 바퀴가 이 틈을 지날 때 나는 소리가 바로 '철커덩' 소리입니다. 이처럼 철로의 이음매는 열팽창을 고려한 대표적인 건축 기술입니다.

 

2) 철근 콘크리트

 

콘크리트는 압축에는 강하지만 인장에는 약하므로 내부에 철근을 넣어 강도를 높입니다. 철근 콘크리트가 효과적인 또 다른 이유는 철과 콘크리트의 열팽창률이 비슷하다는 것에 있어요. 두 재료는 온도가 변해도 거의 같은 정도로 팽창하고 수축하므로, 온도 변화로 인한 균열을 줄여 구조물의 내구성과 안전성을 높일 수 있습니다.

 

3) 단열재

 

뜨거운 음료나 차가운 음료의 온도를 오랫동안 유지하는 보온병은 열의 이동을 최소화하도록 설계된 대표적인 제품입니다. 보온병은 이중 용기 사이를 진공으로 만들어 전도와 대류를 줄이고, 내부 표면을 반사막으로 코팅하여 복사에 의한 열의 이동도 줄여요. 이처럼 열이 이동하는 세 가지 경로를 차단함으로써 보온병은 내부의 온도를 오랫동안 유지할 수 있습니다.

 

 

건축물의 단열도 보온병과 같은 원리를 이용합니다. 벽과 지붕에는 공기층을 포함한 단열재를 사용하여 전도와 대류를 줄이고, 복사열을 반사하는 단열재를 적용하여 복사에 의한 열의 이동도 감소시켜요. 또한 건축물의 단열 성능을 높이기 위해서는 열전도율이 낮은 소재를 사용하고, 단열재의 두께를 충분히 확보하는 것이 중요합니다. 열전도 관계식에 따르면 전달되는 열의 양은 열전도율에 비례하고 재료의 두께에 반비례하므로, 열전도율이 낮은 단열재를 사용하거나 단열재를 여러 겹 시공하여 두께를 늘리면 열의 이동을 더욱 효과적으로 줄일 수 있어요. 이를 통해 냉난방 에너지를 절약하고 실내를 더욱 쾌적하게 유지할 수 있습니다.

 

텅 비어 있음의 가치

 

빈 공간은 아무것도 없는 공간이 아니라 열의 이동을 막아 주는 공간이었습니다. 북극곰은 이러한 원리를 이미 활용하고 있었던 것이죠. 과학자들은 북극곰 털의 구조에서 아이디어를 얻어 초경량 단열재인 에어로젤을 개발했습니다.

 

https://www.youtube.com/shorts/PBryED1Oiyc

 

에어로젤은 대부분이 빈 공간으로 이루어져 있어 매우 가볍고 뛰어난 단열 성능을 지닙니다. 쉽게 부서지기는 하지만 자기 무게의 약 1000배를 견딜 만큼 우수한 강도를 갖고 있어요. 이처럼 자연에서 얻은 아이디어는 첨단 기술로 이어집니다. 그리고 앞으로 이러한 아이디어를 발견하고 새로운 기술을 만들어 갈 사람은 바로 여러분이에요.

 

 

지구온난화로 북극곰은 점점 삶의 터전을 잃어가고 있습니다. 우리가 더 뛰어난 단열 기술을 개발해 건축물의 냉난방 에너지를 줄인다면 탄소 배출도 함께 감소시킬 수 있어요. 물리학과 건축 기술은 단순히 건물을 따뜻하게 만드는 데 그치지 않고, 지구 환경과 북극곰의 미래를 지키는 데에도 기여할 수 있습니다.

 

Teddy bear - STAYC

https://www.youtube.com/watch?v=midOBwzGeOM&list=RDmidOBwzGeOM&start_radio=1

 

우리가 품은 우주

 

학교 강당에 모래 한 알을 던져 넣으면, 그 공간의 평균 밀도는 우주의 평균 밀도보다 높아진다고 합니다. 그만큼 우주의 본질은 '텅 비어 있음'이에요. 살다 보면 도전한 일이 기대에 미치지 못해 허무함을 느끼기도 하고, 미래가 막막해 공허함에 빠질 때도 있습니다. 하지만 우리는 우주의 시간으로 보면 찰나에도 미치지 못하는 짧은 생을 살아가면서도, 우주의 탄생과 별의 죽음을 이야기하는 특별한 존재예요.

 

오늘 우리는 북극곰의 털과 에어로젤을 통해 '텅 비어 있음'의 가치를 배웠습니다. 텅 비어 있던 우주에서 수많은 별과 행성, 그리고 우리가 탄생하게 된 가능성을 떠올려 보면, 우리 안의 허무함과 공허함도 어쩌면 아직 드러나지 않은 가능성일지 모릅니다. 그러니 서두르지 않아도 됩니다. 우리 모두 이번 생은 처음이니까요. 차근차근 지성을 키워 자연의 원리를 발견하고, 새로운 신소재와 건축 기술을 개발하는 과학자가 되어 북극곰의 삶의 터전을 지켜줬으면 하네요. STAYC의 Teddy bear를 들으며, 오늘도 물리를 통해 인생을 배웁니다.