열역학과 보온병

열역학과 보온병 어떤 관계가 있을까요? 일상 생활에서 열역학과 가장 큰 관련이 있는 제품은 무엇일까요? 제목에도 언급을 했기 때문에 보온병을 말하는지 아실 겁니다. 보온병은 열을 보온하는데 쓰입니다. 일상 생활에서 온도가 뜨거워지거나 차가워지는데 열역학 법칙이 적용됩니다. 사실 전후 관계를 명확히 하자면 자연계에서 발생한 현상을 관찰하고 관찰한 결과를 열역학 법칙으로 정리한 겁니다. 따라서 열역학 법칙이 자연계 현상에 적용된 것이 아니라 현상을 설명하는 이론일 뿐입니다. 여하튼 법칙이라고 정리된 이론을 공부하면 현상을 이해하는데 조금 용이할 수 있습니다. 열역학 법칙에는 이러한 내용이 있습니다. 접촉한 물체가 열 평형이 이루어진다면 열의 이동이 없다. 그리고 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 열이 이동한다. 이것은 사실 법칙이라고 말하지 않아도 일상 생활에서 체험으로 알고 있는 내용입니다. 따라서 굳이 이렇게 법칙이니 거창하게 말하지 않아도 이해하기 어렵지 않습니다. 이제 이 이론을 알고 있는 것이 단열재를 발명하는데 어떤 역학을 했을 지 설명 드리겠습니다. 단 이 설명은 저의 생각일 뿐입니다. 정말 이렇게 생각하고 이런 원리를 적용해서 개발했을 거라 생각하지 않습니다. 그리고 이 내용을 설명 드리기 전에 간단히 말씀드리겠습니다. 우리가 흔히 주변에서 말하는 보온병 혹은 보냉병 아이스 박스는 모두 같은 원리입니다. 보냉병에 뜨거운 것을 담으면 계속 뜨겁게 유지가 가능합니다. 같은 원리로 보온병에 차가운 것을 담으면 계속 차갑게 유지됩니다. 이름처럼 뜨거운 것만 뜨겁게 유지하거나 차가운 것만 차갑게 유지하는 것이 아닙니다. 이제부터 설명드릴 단열재의 원리를 알면 조금 쉽게 이해하실 겁니다. 다시 열역학 법칙을 잠깐 언급하겠습니다. 접촉한 물체는 두 물체의 온도가 같아질 때까지 온도가 계속 변합니다. 그래서 공기에 노출된 따뜻한 커피가 식고 얼음을 넣은 아이스 아메리카노가 미지근해지는 거겠죠. 컵에 담긴 음료가 외부 공기와 온도 차가 있기 때문에 발생하는 겁니다. 그리고 직접 접촉하지 않더라도 인접해 있는 다른 물체가 열을 전달하는 매개체가 될 수 있습니다. 지금 말씀드린 예는 공기 중에 음료가 직접 노출된 것도 있지만 감싸고 있는 컵이 공기 중에 노출되어 온도가 변하는 것도 있습니다. 지금까지 드린 설명으로 생각해보면 물체의 온도가 바뀌지 않길 바란다면 열이 이동하지 않으면 됩니다. 열의 이동시키지 않기 위해서는 주변에 인접해 있는 물체가 없게 하면 되는 것이죠. 즉 원하는 용기에 물체를 담고 그 물체가 다른 온도의 외부 혹은 주변 물체에 노출되지 않게 하면 되는 것이죠. 보온병, 보냉병은 그 원리를 구현하고 있습니다. 보온병은 흔히 말하는 스댕으로 만들어져 있습니다. 정확히는 스테인리스라고 합니다. 스테인리스로 만든 이유는 음식물이 닿아도 부식이 잘 생기지 않기 때문입니다. 사실 스테인리스 이름에서도 알 수 있습니다. 이것과 관련된 부분이 아니기 때문에 다음에 기회에 하겠습니다. 보온병을 가지고 관찰을 해보면 알 수 있는 것이 있습니다. 일단 보온병은 부피에 비해서 가볍습니다. 왜 가벼울까요? 바로 안쪽에 아무것도 없기 때문입니다. 아무것도 없다는 것은 공기조차 없는 진공상태라는 것이죠. 진공이라는 것은 열을 전달할 매개체인 공기가 없다는 것이죠. 따라서 서로 다른 물체가 인접해 있지 않는 조건입니다. 진공을 사이에 두고 외부 공기와 안에 담겨 있는 물체가 있는 상황입니다. 따라서 열을 전달할 수가 없는 상태인 겁니다. 그래서 물체의 온도가 변하지 않는 것이죠. 사실 진공과 매개라는 이야기가 나와서 잠깐 언급하겠습니다. 진공은 어떤 것도 전달할 수 없습니다. 아무 것도 없기 때문이죠. 오래 전 과학자들은 빛과 관련된 설명을 위해 진공 상태에도 무엇인가 있다고 가정을 하였습니다. 그 유명한 빛이 파동이냐 입자이냐 논쟁과 관련된 것입니다. 소리는 공기를 매개로 퍼져 나갑니다. 파동이라면 전파될 때 반드시 매개체가 있어야 합니다. 빛은 파동의 특성을 가지고 있습니다. 그렇다면 반드시 매개체가 있어야 된다고 생각하였습니다. 빛은 공기 중에도 나아가고 진공 상태인 우주에서도 이동을 합니다. 그렇다면 진공인 상태는 에테르라고 하는 매개체가 꽉 차 있을 거라 가정을 합니다. 그래서 에테르를 찾기 위해 한동안 노력을 했던 시기도 있습니다. 그 뒤에 빛은 파동이면서 입자라고 정리되었고 더 이상 진공에서 에테르를 찾기 위한 노력을 하지 않은 걸로 알고 있습니다. 다시 열역학과 보온병으로 돌아가보겠습니다. 아마도 보온병이란 발명품은 열역학 법칙을 분명하게 이해한 사람이 만들었을 겁니다. 물론 열역학을 배우지 않았더라도 직관적으로 열이 어떻게 이동을 하는지를 정확히 이해한 사람일 겁니다. 그리고 실험을 통해서 본인의 가설을 검증해보고 보온병을 만들었을 거라 생각합니다. 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 보온병, 보냉병은 이런 원리를 가지고 있습니다. 열역학 법칙을 알고 보니 더 신기하지 않나요? 저는 열역학을 좀 알고 있었고 보온병도 많이 사용하고 있었습니다. 그러나 이 두 가지를 연결할 생각은 못했습니다. 그러다 우연히 보온병과 관련된 내용을 접하게 되었고 그래서 알고 있었습니다. 우리 주변에는 열역학뿐만 아니라 다른 단순한 과학적 원리를 접목한 다양한 제품이 있는 것 같습니다. 그것을 알고 보면 더욱 신기하고 재미있는 것 같아요. 주변의 사물을 관찰하는 것도 열역학적 과학적 사고력을 기르는데 좋을 것 같네요.