정확히 정오를 기점으로 태연의 얼굴이 점점 붉어지고, 동공이 슬슬 풀리며, 팔다리에 힘이 빠지기 시작한다. 그리고 드디어 오후 2시, 더 이상 참지 못한 태연이 고함을 냅다 지른다.

“아빠! 당장 에어컨 틀어주세요. 당장!! 국가적인 전력부족 사태가 더 심각한가요, 아님 하나밖에 없는 금쪽같은 딸내미가 더위에 비쩍 말라 죽어가는 게 더 심각한가요. 네?!”

“에이, 넌 절대 비쩍 마르지 않았어요. 비만에 조금 더 가깝다고나 할까~? 그리고 옛날에는 에어컨 없이도 잘만 살았다고.”

“지금 농담이 나오세요? 아빠가 뭘 잘 몰라서 그러시는데, 옛날에는 지금처럼 덥지가 않았기 때문에 에어컨 없이도 잘 살았던 거라고요. 하지만 요즘엔 지구온난화 현상이 심해져 여름이 너~~무 덥다고요.”

“물론 지구온난화 때문에 지난 100년 동안 한반도 기온이 섭씨 1.8도 올라갔다는 안타까운 조사가 있긴 하지. 그러나! 그렇다고 옛날이 덥지 않았던 건 아니야. 옛날 사람들도 삼복 찜통더위를 피하기 위해 나름대로 엄청 노력을 했단다. 대나무로 좋은 부채를 만들어 부치거나, 죽부인을 안고 자고, 삼베옷 입는 등의 방법을 썼지. 그리고 왕과 신하들은 석빙고의 얼음을 먹기도 했단다.

“아 맞다. 석빙고! 전 그게 그렇게 신기하더라고요. 이 뜨거운 여름에 어떻게 얼음이 녹지 않고 남아있을 수가 있어요? 냉장고도 없는데?”

“그러니까 우리 선조들이 위대하다는 거야. 석빙고의 구조를 보면 옛 사람들이 얼마나 머리가 비상했는지 알 수 있어요. 석빙고의 천장은 아치형을 하고 있단다. 당연히 벽돌들이 딱 붙어있는 게 아니라 벽돌 사이 뒤쪽에 빈 공간이 생기겠지. 석빙고는 그 공간을 이용해 빙고 안의 더운 공기를 빨아들인 다음 바깥의 환기구로 배출시키는 구조를 하고 있단다. 차가운 공기는 밑으로 가라앉고 더운 공기는 위로 올라가는 성질을 현명하게 이용한 거지. 또 얼음과 맞닿은 벽과 천장의 틈 사이에는 볏짚, 톱밥 같은 것을 채워 넣어 외부의 열기가 들어오지 못하게 했단다. 볏짚은 속에 빈 공간이 많아서 열을 잘 흡수하기 때문에 훌륭한 단열재 역할을 했을 거야.”

“와, 진짜 과학적이다. 어떻게 그런 생각을 했을까요? 그런데 얼음을 먹을 수 있는 사람은 극소수였잖아요. 대부분은 생짜로 더위를 견뎌야했으니 얼마나 힘들었을까요.”

“그래도 집 구조 때문에 조금은 덜 더웠을 거야. 옛 사람들은 가급적 남향(南向)에 배산임수(背山臨水), 즉 뒤에는 산이 앞에는 물이 흐르는 곳에 집을 지었단다. 이런 집에 여름 햇볕이 내리쬐면 어떻게 될까. 마당이 뜨거워지고 더워진 공기는 위로 상승할거야. 그럼 그 빈 공간을 채우기 위해 뒷산에서 상대적으로 차가운 공기가 잽싸게 마당 쪽으로 이동을 하겠지. 대류현상에 의해 더운 공기와 찬 공기가 순환을 하게 되는 거야. 그래서 배산임수 남향집 대청마루에 앉아있으면 뜨거운 한낮에도 산에서 불어오는 선선한 바람 덕에 그다지 더위를 느끼지 않는 거란다.”

“아, 시골 할머니네 집 마당에 가면 바람 한 점 없는 찜통더위에도 이상하리만큼 시원한 바람이 잘 분다고 생각했었는데, 바로 그런 이유 때문이었네요. 할머니 집이 배산임수 남향집이란 건 오늘 처음 알았어요.”

목욕도 더위를 이기는 주요한 수단이었단다. 우리나라 사람들은 예부터 목욕을 좋아하는 청결한 생활습관을 갖고 있었다고 해. 송나라 사람 서긍(徐兢)이 쓴 ‘고려도경(高麗圖經)’에 보면 ‘고구려 사람들은 여름이 되면 날마다 두 번씩 개울에서 목욕을 하는데, 남자 여자 분별없이 의관을 언덕에 놓고 물굽이 따라 몸을 벌거벗되, 괴상하게 여기지 않았다’는 기록이 남아 있단다.”

“아이고머니나, 부끄러워라! 남녀가 유별한데 어찌 그렇게 목욕을 했대요? 어마마, 말도 안 돼.”

“시대마다 풍속이 다르잖니. 그땐 그게 자연스러운 일이었던 거지. 그러나 예외의 사람들도 있었어. 바로 양반들이지. 조선시대 선비들은 제사를 준비하며 목욕재계할 때를 빼고는 거의 몸을 드러내지 않았는데, 그 때문에 여름이면 염증으로 고생하는 양반들이 아주 많았다는구나. 그래서 생각해 낸 게 풍즐거풍(風櫛擧風)이란다.”

“그게 뭔데요? 뭔가 바람풍을 즐긴다는 얘기 같긴 한데….”

“체면 상 개울에서 목욕을 할 수 없었던 선비들은 산에 올라가 상투를 벗어 긴 머리카락을 바람에 날리고, 남성의 중요한 그 부분 그러니까 심벌을 볕에 쬐여 말리곤 했다는구나. 그걸 풍즐거풍이라고 하는데, 전통적인 가치관에서 볼 때는 매우 과감한 피서법이라고….”

“악! 그만! 거기까지! 아아아, 난 어떻게 해. 상상이 된단 말이에요.”

“그러니까 아빠가 상상만은 하지 말라고 했잖니. 보기엔 좀 거시기해도, 풍즐거풍은 상당히 건강에 좋은 피서법이었어요. 요즘 들어 옷을 벗고 바람으로 목욕을 하는 풍욕(風浴)족들이 늘고 있다고 하던데, 그만큼 효과가 좋기 때문이란다. 풍욕을 하면 피부호흡을 통해 모공으로 산소가 들어가서 에너지 대사를 촉진시켜주고, 체내 노폐물이나 독소 배출에도 효과가 좋다는 구나. 그래서 이 아빠, 굳게 결심한 바가 있단다. 이번 여름엔 절대로 에어컨을 켜지 않고, 샤워도 하지 않고, 오로지 풍즐거풍으로 굳건히 여름을 이겨 보려는 구나~~.”

“음… 할 수 없네요. 아빠, 우리 가을에 만나요~!”

글 : 김희정 과학칼럼니스트

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[실험]빙글빙글~ 스스로 회전하는 모빌 만들기

아름다운 장식물로 사용되는 모빌은 1932년 미국의 조각가 콜더의 작품이 오브제 모빌이라는 명칭으로 불리면서 사용됐다. 어느 한 점에 고정해 두면 조각이나 공예품이 바람에 따라 움직이면서 소리가 나는 것이 가장 흔한 모빌이다. 바람이 불지 않을 때는 손으로 살짝 스쳐주면 움직이지만 과학의 원리를 이용하면 스스로 회전하는 모빌을 만들 수 있다.

[교과과정]
초등 4-2 열전달과 우리생활
초등 6-2 연소와 소화
중등 1 기체분자의 운동

[학습주제]
공기 중에서 열의 이동 이해하기
고체, 물에서 열의 이동 이해하기
전도, 대류, 복사에 대해 알아보기
생활 속에서 열이 이동하는 예 찾아보기

<실험 방법 및 원리>


<실험 동영상>



* 실험 참고사항 : 종이컵이나 나선 도면이 촛불에 닿지 않도록 주의하세요.

실험에서 나선 모형의 모빌이 스스로 회전하는 비밀은 ‘촛불’에 숨어있다. 양초에 불을 붙이면 주변 공기가 데워지면서 공기의 흐름이 바뀐다. 따뜻해진 공기는 가벼워져서 위로 올라가고 반대로 차가운 위쪽의 공기는 상대적으로 무거워져 아래로 내려온다. 이런 현상을 ‘대류’라고 하며 이런 흐름이 나선 모형을 밀어 올리기 때문에 빙글빙글 회전하는 것이다.

대류 현상은 온도에 따라 밀도가 변하기 때문에 생기는 현상이다. 대류 현상으로 공기 중에서 열이 이곳저곳으로 이동하게 된다. 대류는 기체뿐만 아니라 액체에서도 일어난다.

대류현상이 일어나는 이유는 무엇일까?
대류현상은 밀도가 높은 것은 아래로, 낮은 것은 위로 가려는 현상 때문에 생긴다. 대기에서는 햇빛 때문에 대류현상이 일어나는데, 지상 주변의 공기는 햇빛으로 가열돼 밀도가 낮아 올라가고 높은 고도에서 차가워진 공기는 다시 지상으로 내려온다. 이 때문에 기압 차이가 생겨 바람이 불거나 비가 내리는 기상현상이 생기는 것이다.

방안의 온돌에 의한 난방 방식도 대류 현상을 이용한 것이다. 방바닥이 뜨겁게 데워지면 아래쪽의 공기가 따뜻해져 위로 상승하고 위쪽의 찬 공기가 아래로 내려오고, 이런 공기의 순환이 일어나며 방안의 공기가 전반적으로 데워지는 원리다.

우리가 느낄 수 없는 곳에서도 대류 현상은 일어난다. 지구의 지각과 핵 사이에 위치한 맨틀이 그곳으로 지구 전체 부피의 82%, 전 질량의 68%를 차지할 정도로 규모가 크다. 지구 핵에 가까워질수록 온도가 높아지기 때문에 온도차에 의한 밀도변화로 대류현상이 일어난다. 맨틀은 단단한 지각과 달리 점성유체의 성질을 가지기 때문에 이 위에 지각이 떠 있는 형태다. 따라서 대류현상이 일어나면 지각의 판이 움직이게 된다.

판의 이동은 대부분 지진이나 화산의 원인이 되는 요소로, 무시무시한 자연재해로 이어질 수 있기 때문에 중요한 현상이다. 하지만 다행히도 판의 이동은 매우 느리게 일어나 우리가 느낄 수 없는 수준이며 화석이나 지질 조사를 통해서만 알 수 있다.

겨울철 물고기가 얼어 죽지 않는 이유도 대류 때문이다. 물은 섭씨 4도에서 가장 밀도가 크다. 따라서 수면 온도에 상관없이 바닥은 항상 4도로 유지된다. 수면에 얼음이 얼 정도로 기온이 낮아져도 강 전체가 쉽게 얼지 않는 이유도 대류로 물이 순환하기 때문이다.

글 : 유기현 과학칼럼니스트

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영하로 떨어지는 기온은 우리를 움츠리게 하고 사람들은 난방기구 옆으로 모이게 마련이다. 기온이 저하되면 우리 몸이 열을 밖으로 발산하게 되어 신체는 도망가는 열을 지키거나 보충하기 위해 다른 열원을 찾아야 하기 때문이다. 요즘 일상생활에서 가장 흔히 사용하는 난방기구로 히터를 꼽을 수 있는데, 그 원리에 대해 아는 사람은 많지 않다. 우리가 무심코 지나쳤던 히터에는 어떤 원리와 종류가 있는지 한번 알아보도록 하자.

히터의 원리를 이해하기 위해서는 열의 이동에 대해 간단한 기본 지식이 필요하다. 열이 이동하는 방식은 크게 세 가지이다. 열전도, 대류, 복사가 그것이다. 열전도는 가열된 금속에서 흔히 볼 수 있다. 뜨거운 커피에 차가운 수저를 담그면 반대편 끝까지 달아오르는 것이 전도 현상의 예이다. 하지만 열전도 자체는 곧바로 난방에 이용하기에 적합하지 않다.

대류는 주로 기체나 액체에서 열이 이동하는 방식이다. 기체와 액체처럼 분자운동이 활발한 물질은 열을 받을 경우 운동이 더욱 거세지면서 부피가 팽창한다. 질량의 변화 없이 부피가 늘어나면 결국 단위부피당 질량이 줄어들면서 가벼워진다. 그리고 부력을 얻는다. 위로 올라간 기체 (또는 액체)는 상승하다가 열원으로부터 멀어지면서 뜨는 힘을 상실하고 아래로 떨어진다. 이 과정에서 얻은 열을 주변에 전달하는 현상이 대류이다. 대류는 전통적인 난방 방법이다. 한복판에 놓고 방 전체를 데우는 난로나, 금속관에 뜨거운 물 또는 증기를 통과시켜서 대류열을 만드는 이른바 스팀이 대류 현상을 이용하고 있다. 대류 현상은 실내 전체의 온도를 높이는 효과가 있는 반면 효과를 얻기까지 오랜 시간이 걸린다는 단점이 있다.

히터는 열전달의 면에서 볼 때 인류가 가장 오랫동안 열의 혜택을 받아왔던 태양과 기본적으로는 같다. 즉 열복사 현상을 이용한다. 절대 영도보다 온도가 높은 모든 물체는 외부로 전자기파를 발산한다. 이 전자기파를 받은 물체는 그 에너지의 일부를 얻는다. 이것이 복사이다. 앞서 언급한 난로도 대류 현상만을 이용하는 것은 아니다. 난로 가까이에 손을 대보면 아직 실내가 추워도 열을 느낄 수 있는데 이것 역시 열복사의 결과이다. 히터는 열복사의 효율을 최대한 높이기 위해 특별히 고안된 난방장치이다.

히터는 전자기파 중 적외선을 인공적으로 발생시켜 가열 대상에게 쏘아 보내는 장치라고 보면 된다. 가시광선을 분해해보면 빨간색에서 보라색까지 걸친 스펙트럼을 볼 수 있는데 빨간색에 가까울수록 파장이 길다. 적외선은 한자어의 뜻 그대로 빨강보다 더 파장이 긴 전자기파를 말한다. 가시광선의 영역을 벗어나므로 눈에 보이지는 않지만 열을 그만큼 잘 전달한다. 적외선 중에서 파장이 짧은 것을 근적외선, 긴 것을 원적외선으로 구분하고 있다. 전자기파는 파장이 길면 흡수가 잘 되는 성질이 있다. 따라서 적외선은 열전달 능력이 뛰어나며 이 원리를 히터에서 그대로 이용한다. 전기 히터의 뒷면에 반사판이 달려있는 것도 복사되는 적외선을 한 방향으로 집중시켜 난방 효율을 높이기 위해서이다.

시중에 판매되고 있는 히터들은 동일하게 전기를 에너지원으로 사용하면서도 종류가 다양하다. 이 중 할로겐램프 히터, 석영관 히터는 전기에너지를 받아 가열되면서 적외선을 발사하는 발열 방식의 종류에 따른 구분이다. 기본적으로 전열기구들은 특정 도체의 물성을 활용한다. 즉 이상적인 초전도체가 아니라면 전기회로상에서 도체는 저항을 가질 수밖에 없는데, 손실되는 전류는 곧 에너지의 형태로 변환된다. 빛을 강하게 발하는 물질은 조명기구에, 열의 비중이 높은 물질은 전열기에 사용하는 것이다. 난방이 목적인 히터의 경우 당연히 유입된 전기 에너지에 비해 더 강한 적외선을 내뿜는 물질을 사용한다. 하지만 효율과 동시에 내구성을 고려하지 않을 수 없으므로 그에 맞는 적절한 조치가 필요하다.

할로겐램프 히터는 필라멘트의 수명과 효율을 높이기 위해 전구 안에 할로겐 기체를 채운 램프를 이용한다. 석영관 히터는 석영관 안에 전열선을 통과시키는 형태이다. 석영관이란 무수규산의 순도를 높인 제품으로, 고온에서 내구성이 강하고 열팽창성이 작으며 적외선의 투과성이 높다. 일반적으로 할로겐램프 히터는 전원을 넣고 열이 나오기까지 걸리는 시간이 짧으며 전력 소모가 상대적으로 적은 편이다. 대신 초기 구입비용이 석영관 히터에 비해 높다. 석영관 히터는 가격이 약간 낮은 대신 전력 소모가 많은데, 어디까지나 기본적인 수준의 비교이므로 제품을 구입할 때는 특성을 꼼꼼히 살펴보는 것이 좋다.

그 외에 원적외선, 근적외선 히터라는 구분도 있다. 이런 특성을 강조하는 제품들의 경우 치료 기능까지 있다고 선전하는 경우가 많은데 단순히 ‘원적외선’이라는 단어 하나만으로 의료 효과가 확실하다고 믿는 것은 자중하는 편이 좋겠다. 물론 원적외선과 근적외선 사이에 상식적인 차이는 있다. 앞서 말한 바와 같이 전자기파는 일반적으로 파장이 길수록 침투력이 강하다. 따라서 원적외선은 물체의 표면뿐 아니라 내부까지 침투할 수 있다. 하지만 발열체의 온도는 근적외선이 높고, 따라서 더 많은 열을 전달한다. 그러나 전기제품이라는 것은 부분적인 개선에 따라 효율이 크게 차이 나므로 본인이 중점을 두는 히터의 용도를 염두에 두고 제품을 고르는 편이 좋다.

전기 히터는 빠른 난방 효과라는 장점이 있지만 구매 시 그만큼 고려해야 할 점도 많다. 히터가 실내 공기를 빠르게 건조시킨다는 점은 잘 알려졌으니 겨울철 건강과 직결되는 습도에 신경을 써야 할 것이다. 또한 모든 전열기구가 가지는 위험성, 즉 화재 예방도 잊으면 안 된다. 비정상적으로 과열될 경우의 대비책은 있는지, 히터가 넘어졌을 경우 어떤 차단장치가 돼 있는지 등은 반드시 따져봐야 할 요소이다. 근래의 제품들은 회전기능이나 송풍기능을 첨가하기도 하므로 편의성도 무시할 수는 없을 것이다.

차가운 겨울을 난방기구 없이 지내기는 어렵다. 소규모 인원이라면 역시 히터가 제격이다. 지혜롭게 고른 히터로 추위를 이기고 건강하게 겨울을 보내는 것은 어떨까.

글 : 김창규 과학칼럼니스트


ndsl링크 <출처 : 한국과학기술정보연구원 >

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