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물과 토양, 누가 빨리 데워질까?|
준비물 |
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실험과 관찰
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1. 물과 흙을 컵에 같은 높이로 담습니다. 2. 각각의 컵에 온도계를 꼽습니다. 3. 온도를 읽습니다. 4. 두 컵의 위에 갓전등을 겹니다. 5. 온도의 변화를 관찰합니다.
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왜 그럴까요? |
우리가 사는 지구의 표면은 강이나 바다 같은 액체 물, 우리가 밟고 서있는 고체 토양으로 이루어져 있습니다. 그리고 지표 위는 기체인 공기로 채워져 있습니다. 공기를 지나 아주 먼 곳에서 태양이 지구로 빛을 보내고 있습니다.
이 실험은 물, 토양, 그리고 태양(전등이 대신)이 주고받는 에너지에 대해 알아보는 것입니다. 이번 실험에서 같은 조건에서 빛을 쪼여 열을 가했을 때 물보다 토양의 온도가 더 많이 올라갔지요. 왜 그럴까요? 그 이유 중 가장 중요한 하나는 비열입니다. 비열이 뭐냐구요?
열은 에너지의 한 형태입니다. 상태 변화하는 온도(녹는점과 끓는점)가 아닌, 다른 온도 범위에서는 어떤 물질이 열을 흡수하면 온도가 올라갑니다. 반대로 열을 잃어버리면 물질의 온도가 내려갑니다.
같은 양의 여러 물질에 같은 양의 열을 더하면, 온도가 올라가는 정도는 물질마다 다릅니다. 어떤 물질 1g을 1℃ 올리는데 필요한 열의 양을 비열이라고 합니다.
그 물질 1g을 1℃ 내리려면 비열만큼의 열을 빼앗아 주어야 하지요. 따라서 비열이 큰 물질은 온도를 올리거나 내리기 위해 많은 양의 열을 더해주거나 빼앗아 주어야 합니다. 즉, 비열이 큰 물질은 데우기도 힘들고 식히기도 힘들어요.
물은 비열이 아주 큰 물질 중 하나입니다. 그에 비해 흙(토양)은 물의 1/4 정도입니다. 따라서 같은 질량의 물과 흙(토양)에 깉은 양의 열을 더해주면 흙이 4배 정도 온도가 더 올라갑니다.
물의 비열이 크다는 것은 온도가 조금 올라가면서도 많은 에너지를 보관할 수 있고, 나중에 온도가 내려가면서 많은 열을 내어놓을 수 있다는 뜻입니다.
이번 실험에서는 아주 적은 양의 물과 토양을 사용하였습니다. 하지만 실제 바닷물이나 육지의 토양은 그 크기가 어마하지요. 따라서 실제 바다와 토양에서는 고려해야할 다른 요인들도 있습니다.
실제의 바닷물의 온도가 토양에 비해 많이 올라가지 않는 다른 이유로는 다음과 같은 것들이 있다고 합니다. 먼저, 토양은 불투명하므로 빛이 얕게 투과되어 표면만 가열됩니다. 반면 물은 투명하므로 물 속으로 태양 빛이 깊이 투과되어, 큰 부피의 물에 흡수됩니다. 또 물은 액체이므로 흐를 수 있어서, 대류에 의해 가열된 부분과 가열되지 않은 부분이 함께 섞이기 때문에 온도가 쉽게 올라가지 않습니다. 그러니까 태양 빛이 토양에 비해 아주 큰 부피(또는 질량)의 물을 데우는 것입니다.
바닷물의 표면에서 일어나는 물의 증발도 열을 소비하여 온도를 적게 올리는 데 기여한다고 합니다.
이번 실험의 결과는 해변에서 부는 바람의 방향을 이해하는데 아주 큰 도움이 됩니다. 아래를 참조하세요.
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