안녕하세요. 조윤하 과학전문가입니다.
온도가 변한다는 것은 어떤 의미인가? 를 이해하셔야 합니다.
이것은 고등학교에서 물리2 과목을 공부하시면 알 수 있는데요.
물체의 온도라는 것은 어떤 물체가 가지고 있는 열량과 관계있습니다.
정확한 물체의 내부 및 외부 온도는 대학교에 진학한 후 '열역학'을 공부하시면 알 수 있고, 고등학교 수준에서는 그냥 '열량'이 높으면 온도가 높다고 이해합시다.
즉, 열량이 높으면 온도가 높다. 이것은 온도가 낮아지기 위해서는 열량이 낮아져야 한다는 뜻이겠죠?
따라서, 온도가 떨어진다는 것은 물체가 가진 열량이 감소한다는 것을 의미하고 우리는 이것을 '열교환'이라고 합니다.
다시 본론으로 들어가서 그렇다면 왜 초등학교에서 한 실험인 보온병을 만들면 찬 물체는 차갑게, 따뜻한 물체는 따뜻한 상태로 오래 보존되는 걸까요?
먼저, 보온병을 단순히 3~5시간 정도가 아니라 20시간 이상 그대로 방치해 둡시다. 그렇다면 그 내부에 있는 물체의 온도는 그대로 보존되었을까요? 처음보다 상당히 식고, 미지근해지게 되는 것을 알 수 있습니다.
즉, 보온병은 먼저 '열교환'이 완전히 차단된 것이 아니라는 것을 알 수 있겠네요.
대신, 물체를 밖에 내놓을 때보다 훨씬 더 늦게 미지근해지는 것인데, 이것으로부터 '보온병이란 물체의 온도 변화를 느리게 하는 것이다' 라고 할 수 있겠죠.
따라서, 이 보온병의 원리란 결국 '물체의 열교환을 느리게 하는 방법'으로 귀결됩니다.
그렇다면 물체의 열교환이란? 물체가 다른 물체(또는 다른 물체들로 구성된 하나의 환경)와 열교환 하는데는 세가지 방법이 있습니다.
복사, 전도, 대류가 바로 그것이죠.
복사는 단순히 빛만으로 많은 에너지를 방출해야 하기에 보온병의 사례와 맞지 않고, 대류는 열을 순환할 많은 유체(기체 또는 액체)가 필요하기에 맞지 않습니다.
따라서 보온병의 사례는 전도에 의해 열이 보존된다고 할 수 있고, 이 전도에 의해 열교환이 일어나는 것은 열교환에 참여하는 물체들의 표면 온도 차이와 전도 매개체 물질의 비열의 곱에 비례합니다.
즉 표면 온도 차이는 상온과 현재 보온병에 담긴 물체의 온도가 되고, 보온병이 다른 일반 물체들과 다른 것은 이 매개체 물질의 '열전도상수'가 있습니다.
'열전도상수'는 물질마다 다른 고유값으로, 물질을 이루고 있는 원자들의 이동에 따라 열이 전해지는데, 원자들이 열을 받아도 그것이 잘 전달되지 않아 열교환이 활발하게 일어나지 않고, 이는 결국 열교환에 참여하는 물체들의 열이 적게 변화하게 되는 것입니다.
좀 더 알아보고 싶다면 고등학교 물리2 과목을 참조하시기 바랍니다.
감사합니다.
