▶ 열의 이동의 세 가지 방식

▶ 열의 이동의 세 가지 방식

열이 이동하는 방식에는 3 가지가 있습니다. (1) 전도, (2) 대류, (3) 복사입니다. 각각의 방식을 차례대로 알아보도록 하지요.

전 도

전도란 물질을 통하여 접촉하고 잇는 두 물체 사이에 열이 이동하는 것을 말합니다. 이것은 열을 가진 물질 자체가 이동하는 것이 아니고 열이 물질을 징검다리로 하여 이동하는 것입니다. 젓가락의 한쪽을 가열하면 시간이 흐른 후 가열하지 않은 쪽도 따듯해집니다. 그것은 가열한 쪽으로 들어 온 열이 다른 쪽으로 이동하기 때문입니다. 좀 어려울지 모르겠지만 이렇게 스스로는 이동하지 않으면서 열 만을 이동시키는 것은 물질 안의 구성 입자인 원자, 분자, 이온들입니다. 전도는 고체 물질이 열을 전달하는데 주로 사용하는 방식입니다.

그러니까 전도는 여러 개의 물건을 멀리 나를 때 물건이 있는 곳으로부터 나를 곳까지 여러 사람이 한 줄로 서서 물건을 전달하는 상황을 상상해 보세요. 사람들은 이동하지 않았지만 물건은 이동하지요?

차가운 물체와 뜨거운 물체를 붙여 놓으면 차가운 물체의 온도는 조금씩 올라가고 뜨거운 물체의 온도는 조금씩 내려가서 오랜 시간이 흐른 후에는 두 물체의 온도가 같아집니다. 바로 전도에 의해 열이 이동하기 때문이지요. 열의 전도는 항상 높은 온도의 물체에서 낮은 온도의 물체로 일어납니다.

그런데 전도에 의해 열을 전달하는 속도는 물체를 이루는 물질의 종류에 따라 차이가 있습니다. 열을 잘 전도하는 대표적인 물질로는 철, 구리 등과 같은 금속 물질들입니다. 유리, 플라스틱 같은 물질은 열을 잘 전도하지 않는 물질의 예입니다. 그래서 냄비와 같은 가열용 용기의 손잡이는 열을 잘 전달하지 않는 플라스틱과 같은 것으로 씌워놓아 뜨거운 냄비를 손으로 잡을 수 있도록 합니다.

그 외에 열을 잘 전도하지 않는 물질을 어떤 용도로 사용할 수 있을까요? 뜨거운 물체와 차가운 물체 사이에 열을 잘 전도하지 않는 물체가 있으면 두 물체가 맞닿아 있을 때처럼 열이 뜨거운 물체에서 차가운 물체로 잘 전도될 수 있을까요? 아니겠지요. 따라서 각 물체가 가지고 있던 처음 온도를 오랫동안 유지할 수 있겠지요.

이것이 바로 보온병의 원리입니다. 보온병은 음식을 담는 용기와 용기의 바깥 벽 사이에 진공을 둡니다. 진공은 아무 물질도 없는 상태이지요. 따라서 물질에 의해 일어나는 열의 전도가 있을 수 없겠지요. 그래서 용기 안의 음식물의 열이 외부로 빠져나가는 것을 막아줍니다.

보온병의 원리는 집을 짓는데도 적용됩니다. 겨울에 집안에서는 난방을 하지요. 그리고 집 밖의 외부 기온은 아주 낮고요. 그렇다면 따듯한 집안으로부터 바깥으로 열이 이동하겠지요. 이것을 막기 위해 집의 벽과 벽 사이에 단열재라고 하는 열을 잘 전달하지 않는 물질(예를 들어 스티로폼)을 끼워놓아 집안으로부터의 열의 손실을 막아줍니다.
겨울에는 동물의 털을 원료로 해서 만든 모직이라는 옷감으로 된 옷을 많이 입습니다. 따듯하거든요. 모직으로 된 옷이 왜 따듯한지의 비밀을 아래에서 알아보세요.

펭돌이와 알아보자

모직으로 된 옷이 따듯한 이유

대 류

대류란 열을 가진 물질 자체가 이동하면서 열을 이동시키는 것입니다. 물질 자체가 이동하려면 흐를 수 있는 물질이어야겠지요. 따라서 대류는 공기와 같은 기체나 물과 같은 액체에 의해 열이 이동되는 방식입니다. 고체는 흐를 수 없어서 대류에 의해 열을 전달하지 못합니다.
먼저 대류가 왜 일어나는지 부터 알아보지요. 대류를 이해하려면 밀도를 조금 알아야 합니다. 일정 질량의 물질을 가열하면 대부분의 경우 부피가 커집니다. ([열에 의한 물질의 변화(Ⅰ) - 부피의 변화]에서 자세히 설명할 겁니다.) 질량은 같은 상태에서 부피가 커지면

밀도 = 질량 / 부피

의 관계로부터 밀도가 작아지는 것을 알 수 있지요. 물질이 가열되면서 밀도가 작아지지요. 즉, 가열된 부분은 가열되지 않은 부분에 비해 밀도가 작아지니까 뜨게 되지요. 다른 말로 하면 위로 올라가는 거지요. 이것은 열기구가 뜨는 이유입니다.따라서 공기의 한 부분을 가열하면 가열된 부분의 공기의 밀도가 작아져 위로 올라가고 그 자리를 가열되지 않은 공기가 채웁니다. 이 공기는 다시 데워지고 그래서 위로 올라가고 찬 공기가 다시 채워지고 하는 일이 계속 일어나게 되어 방안 공기 전체가 데워지지요. 이것을 대류라고 합니다. 가열된 물질인 공기 스스로가 이동하면서 열을 이동시키지요.

이 대류는 먼 곳으로 여러 개의 짐을 나를 때 한 사람이 짐 하나씩을 들고 짐이 있는 곳에서부터 나를 목적지까지 가져가는 것을 비유할 수 있습니다. 앞에서 살펴본 전도와의 차이점을 비교해 보세요.

대류현상은 물이나 공기처럼 흐를 수 있는 물질이 스스로 이동하면서 열을 전달하는 것이지요. 따라서 물이나 공기가 흐를 때 같이 따라다닐 정도로 가벼운 물체를 넣은 후 가열하면 열이 이동하는 방향을 알 수 있습니다. 물을 가열하였을 때 열이 어떻게 이동하는지 아래에서 실험해 보세요.

대류에 의한 열의 이동 방향을 살펴보자.

데워진 공기의 흐름은 굴뚝의 연기의 방향으로 알 수 있습니다. 굴뚝에서 나온 공기는 외부의 공기의 온도보다 높아 밀도가 작으니까 센 바람이 불지 않는다면 위로 올라가지요.

바람은 공기가 이동하는 것입니다. 바람도 바로 대류 현상의 하나이지요. 바람에 대해 아래에서 알아보세요.

펭돌이와 알아보자

바람에 대하여

복 사

물질을 통해 열이 이동하는 열의 전도나, 물질이 스스로 이동하면서 열을 전달하는 대류는 아무 물질도 없는 진공에서는 일어나지 않겠지요. 그런데 참 이상한 것은 태양과 지구 사이에 진공이 있는데도 태양의 열은 우리에게 전달된다는 것입니다. 이 열은 당연히 전도나 대류와는 다른 방식으로 전달되겠지요.
난로의 열도 그렇습니다. 난로에서 조금 떨어져 있는 우리에게 난로의 열이 전달되지요. 물론 난로와 우리 사이에 공기가 있으니까 대류에 의해서도 열이 전달되겠지요. 그런데 난로와 우리 사이에 다른 사람이나 물체가 서면 금방 우리에게 오는 열이 줄어듭니다.

이것은 전도나 대류가 아닌 열이 이동하는 다른 방식이 있음을 의미합니다. 이렇게 태양의 열이나 난로로부터의 열은 물질이 없어도 전달되는 복사라는 열 전달 방식에 의해서 전달됩니다.
그렇다면 복사가 어떤 것이냐 구요? 참 어려운 질문입니다. 복사를 이해하려면 전자기파라든가, 전장, 자기장과 같은 어려운 현상들을 이해해야 하는데 여러분들이 지금 이해하기엔 너무 어려운 것들이거든요. 여기서는 아주 간단하게 설명해 볼게요.
복사는 우리가 흔히 말하는 빛을 내는 물체와 관련이 있습니다. 태양도 빛을 내지요. 촛불도 빛을 내는데 촛불도 따듯하지요. 그리고 난로의 불도 불을 끄고 보면 환하니까 빛을 내는 거지요. 그리고 복사에 의한 열의 전달은 팔 힘이 아주 센 사람이 짐을 나를 곳까지 휙 던져 물건을 이동하는 것에 비유할 수 있을 것 같아요. 사람이 없는 빈 공간을 통해서도 물건이 이동했지요.

더운 여름 햇빛이 쨍쨍한 대낮에 커튼을 치면 왜 방안이 시원할까요?