모든 물체는 열을 전달한다.
열은 '뜨거움' 자체가 아니라, 1) 온도 차이에 의해 이동하는 에너지이다. 열은 항상 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하여, 이 과정은 전도(Conduction), 대류(Convection), 복사(Radiation) 총 세 가지 방식으로 이루어진다.
1. Conduction
전도는 물질 내부에서 입자들이 에너지를 전달하는 방식이다.
뜨거운 국물에 금속 숟가락을 넣어두고 시간이 지나면 손잡이까지 뜨거워진다. 숟가락 내부에서 뜨거운 부분의 에너지가 이웃한 원자와 전자로 전달되면서 열이 반대편까지 이동한 것이다. 원자는 제자리에서 진동할 뿐, 물질 자체가 이동하는 것은 아니다. 하지만 2) 원자의 격자 진동과 금속 내부의 자유전자가 에너지를 전달하여 열이 이동하게 된다. 금속이 나무보다 뜨겁게 느껴지는 이유도 여기에 있다. 금속은 자유전자가 많아서 열을 매우 빠르게 전달하지만, 나무는 열전도율이 낮아서 같은 온도라도 손에서 열을 천천히 빼앗아 간다.
2. Convection
대류는 액체나 기체처럼 흐를 수 있는 유체가 이동하면서 열을 전달하는 방식이다.
냄비에 물을 끓이면 바닥의 물이 먼저 가열된다. 온도가 올라간 물은 밀도가 낮아져 위로 올라가고, 상대적으로 차가운 물은 아래로 내려온다. 이러한 순환이 반복되면서 냄비 전체가 점차 따뜻해진다.
즉, 전도가 물질 내부에서 에너지만 전달되는 현상이라면, 3) 대류는 물질 자체가 움직이면서 열을 운반하는 현상인 것이다.
실내에서 에어컨을 켜면 차가운 공기가 아래로 내려오고 따뜻한 공기가 위로 올라가는 것도 대표적인 대류 현상이다.
3. Radiation
앞서 언급한 Conduction과 Convection은 모두 주변에 물질이 있어야 열이 전달될 수 있었지만, 복사는 물질이 없어도 된다.
모든 물질은 자신의 온도에 따라 4) 전자기파(Electromagnetic Wave)를 방출하는데, 이 전자기파가 에너지를 운반하면서 열이 전달된다. 이를 복사라고 한다.
온도가 매우 높은 태양은 가시광선과 적외선, 자외선 등 다양한 파장의 전자기파를 방출한다. 태양에서 방출된 전자기파는 약 1억 5천만 km 떨어진 지구까지, 진공 상태의 우주를 지나 도달한다. 만약 열이 전도나 대류만으로 전달되었다면, 태양의 열은 우주 공간을 건너 지구에 도달할 수가 없었을 것이다.
흥미로운 점은 절대온도(0 K)보다 높은 모든 물체가 열복사를 한다는 사실이다. 사람, 건물, 자동차, 얼음까지도 끊임없이 전자기파를 방출하며, 온도에 따라 가장 많이 방출되는 파장이 달라진다. 다만 5) 상온의 물체는 가장 강하게 적외선 영역을 방출하기 때문에 우리 눈에는 보이지 않을 뿐이다.
그렇다면 이 원리를 이용해 주변보다 더 차가운 물체를 만들 수는 없을까?
복사냉각은 태양으로부터 들어오는 에너지는 최대한 줄이고, 물체가 적외선 형태로 열을 우주로 방출하도록 설계한 기술이다. 태양으로부터 흡수하는 에너지보다 더 많은 에너지를 우주로 방출할 수 있다면, 외부의 도움 없이도 물체의 온도를 낮출 수 있다. 즉, 복사냉각은 열이 자연스럽게 우주로 빠져나가도록 돕는 기술이다.
1) 왜 온도 차이가 있으면 에너지가 이동하지?
분자들은 끊임없이 운동하고 있다. 뜨거운 물체는 분자 운동이 활발하고, 차가운 물체는 분자 운동이 덜 활발하다. 두 물체가 접촉하면 빠르게 움직이던 분자가 주변 분자와 충돌하며 자신의 운동에너지를 전달한다. 이러한 충돌이 반복되면서 에너지는 점차 전체로 퍼져 나간다.
이렇게 에너지가 고르게 퍼지는 이유는 자연계가 더 많은 경우의 수를 갖는 상태, 즉 열이 한곳에 집중된 상태보다 널리 퍼진 상태를 더 선호하기 때문이다. 이를 열역학에서는 엔트로피가 증가하는 방향이라고 설명한다.
2) 왜 하필 '격자 진동'으로 열이 전달될까?
고체는 원자 하나하나가 따로 존재하는 것이 아니라, 규칙적인 배열(Lattice)을 이루고 있다. 고체의 원자는 자유롭게 이동할 수 없기 때문에, 자신의 위치를 중심으로 진동하며 에너지를 전달한다.
열을 받으면 원자의 진동이 더욱 활발해지고, 이 진동이 인접한 원자로 연속적으로 전달되면서 열이 이동한다. 이처럼 격자를 이루는 원자들의 진동이 전파되는 현상을 격자 진동(Lattice vibration)이라고 한다.
그리고 금속에서는 원자에 속박되지 않고 자유롭게 움직일 수 있는 전자가 많이 존재한다. 이 자유전자는 뜨거운 부분에서 운동에너지를 얻은 뒤 차가운 부분으로 빠르게 이동하면서 에너지를 함께 운반한다. 따라서 금속에서는 격자 진동과 자유전자가 모두 열전달에 기여하며, 특히 대부분의 금속에서는 자유전자의 기여가 더 크다. 이 때문에 금속은 나무나 유리보다 열을 훨씬 잘 전달한다.
3) 왜 대류에서는 물질 자체가 움직일까?
유체가 열을 받으면 분자의 운동이 활발해지면서 서로 더 멀어지게 된다. 그 결과 같은 질량이라도 더 큰 부피를 차지하게 되어 밀도(density)가 감소한다. 밀도가 낮아진 유체는 주변의 밀도가 높은 유체보다 부력이 커져 위로 올라가고, 상대적으로 차갑고 밀도가 높은 유체는 아래로 내려온다. 이러한 순환이 반복되면서 열이 물질과 함께 이동하게 된다.
4) 전자기파(Electromagnetic Wave)란 무엇일까?
전자기파는 전기장과 자기장이 공간을 따라 전파되면서 에너지를 전달하는 파동이다. 우리가 흔히 말하는 빛(Light)도 전자기파의 한 종류이다. 하지만 전자기파는 눈에 보이는 빛만 있는 것이 아니다. 감마선, X선, 자외선(UV), 가시광선, 적외선(IR), 마이크로파, 전파(Radio wave) 처럼 다양한 종류가 있으며, 파장(wavelength)에 따라 이름만 다를 뿐 모두 같은 전자기파이다.
적외선도 빛이다. 다만 사람의 눈으로는 볼 수 없는 빛이다. 사람이 볼 수 있는 가시광선은 전자기파의 아주 좁은 영역이다. 복사냉각에서 열을 방출하는 빛은 대부분 적외선(IR)이다.
모든 물체는 절대온도(0 K)보다 높은 온도에서 원자와 전자가 끊임없이 열운동을 한다. 이러한 열운동은 물체 내부의 에너지가 외부로 전달되는 원인이 되며, 그 결과 물체는 에너지를 전자기파의 형태로 방출하게 된다. 이를 열복사(Thermal Radiation)라고 한다.
5) 왜 상온의 물체는 대부분 적외선을 방출할까?
모든 물체는 다양한 파장의 전자기파를 동시에 방출한다. 그러나 가장 많이 방출되는 파장은 물체의 온도에 따라 달라진다. 이를 설명하는 법칙이 빈의 변위법칙(Wien's displacement law)이다.
이 법칙에 따르면 온도가 높을수록 가장 많이 방출되는 전자기파의 파장은 짧아지고, 온도가 낮을수록 파장은 길어진다. 사람이나 건물처럼 상온(약 300 K) 부근의 물체는 약 8~13 μm 부근의 적외선을 가장 많이 방출한다. 반면 태양(약 5800 K)은 가시광선 영역을 가장 많이 방출한다.
복사냉각은 바로 이 적외선을 효과적으로 우주로 방출하도록 설계하는 기술이다.