열역학과 열 전달 복사

열역학에서 열 전달, 그 중에서 복사도 꽤 중요합니다. 열역학에서 열 전달은 아주 중요합니다. 열 전달 즉 열의 이동하면서 다양한 현상이 발생하고 그것을 이해하는 학문이 열역학입니다. 열 전달 방식에는 전도, 복사, 대류가 있습니다. 그 중에서 복사에 대해서 알아보겠습니다. 복사라고 해서 생소하실 필요 없습니다. 자연과학이란 것은 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 현상을 관찰하고 그것을 정리하여 이론으로 만들었다고 보시면 됩니다. 물론 양자역학이나 상대성 이론은 사람이 눈으로 관찰한 내용을 다룬 것은 아닙니다. 다시 복사로 돌아가겠습니다. 복사라는 단어 자체가 어렵게 느껴질 수 있습니다. 한자어라서 그렇습니다. 한국어는 순수 한국말로 구성되어 있지 않고 한자어를 많이 씁니다. 그래서 단어를 접하고 잘 이해가 안 가는 경우가 많습니다. 그 중에서 학문이 발생한 나라에서 바로 우리나라로 들어오지 않은 경우 다른 나라를 거쳐서 들어온 경우 이해하기가 어려운 것 같습니다. 복사라는 것은 빛에 의해서 열 전달이 되는 것을 의미합니다. 태양이 비추면 따뜻하고 여름에는 뜨겁기도 합니다. 이게 바로 열 복사입니다. 이렇게 말씀드리면 태양과 같이 보이는 빛에서만 복사가 일어난다고 생각할 수 있습니다. 복사라는 것은 우리 눈이 감지할 수 있는 가시광선에서만 발생하는 것은 아닙니다. 그 밖의 영역에서도 복사는 일어납니다. 열 복사라는 것이 열 혹은 에너지를 가지고 있다는 것을 알고 있습니다. 초등학교 시절 실험을 통해서 체험한 것도 있습니다. 기억하시는 분들도 있을 겁니다. 바로 돋보기를 이용해서 종이를 태운 적이 있습니다. 빛에 열이 복사된다는 증거입니다. 일반적인 빛을 종이에 쬐어주면 불이 붙지 않습니다. 하지만 왜 돋보기를 이용하면 불이 붙게 되는 걸까요? 바로 직진 운동하는 개별적인 빛들을 돋보기로 한 곳으로 모아준 것입니다. 이렇게 하면서 복사로 전달되는 열 에너지를 좁은 공간에 모은 것이죠. 그 좁은 공간에 계속 열이 모아지고 그러면 온도가 올라갑니다. 그러면 불이 붙게 되는 것이죠. 불이 붙기 위해서는 세 가지 조건이 필요하죠. 탈 것, 공기, 100도 이상의 온도. 열 전달의 한 방식인 복사가 한 곳에 열을 모아서 100도 이상 올라간 것이죠. 이렇듯 복사 에너지를 좁은 공간에 모으면 더 뜨거워진다는 것을 알 수 있습니다. 이렇듯 열역학에서 열 전달을 중요하게 다룹니다. 열역학에서 열이 이동하는데 열 전달이 핵심이기 때문이죠. 그 중에서 복사는 태양빛을 매일 받는 우리는 아주 쉽게 접할 수 있는 예시이죠. 다시 열 복사로 인해 에너지가 모여서 더워지는 예가 있습니다. 바로 계절입니다. 여름과 겨울 온도차는 왜 발생하는 것일까요? 바로 지구가 비스듬하게 기울어져서 자전하기 때문입니다. 그 자전이 어떤 차이를 만들까요? 멀리서 태양 복사 에너지가 지구로 옵니다. 비스듬한 각도로 인해서 좁은 지역에 에너지를 얼마나 집중되느냐 차이입니다. 한번 말로 설명을 해보겠습니다. 멀리서 10 제곱 센티미터의 영역을 차지하는 복사 에너지가 들어온다고 가정하겠습니다. 그 복사 에너지가 지구의 10 제곱 센티미터의 영역을 비춘다고 가정하죠. 그러면 1 제곱 센티미터 당 복사 에너지도 1 제곱 센티미터로 대응됩니다. 1대1의 대응인 거죠. 그런데 어떤 시점에 지구가 기울어졌습니다. 멀리서 날아오는 복사 에너지 영역은 10 제곱 센티미터입니다. 그러나 그 복사 에너지를 받는 지구의 영역은 늘어났습니다. 예를 들어 그 복사 에너지가 20 제곱 센티미터를 비춘다고 가정하시죠. 그러면 복사 에너지 1 제곱 센티미터가 지구 2 제곱 센티미터를 비추는 것입니다. 그러면 당연히 지구 1 제곱 센티미터당 열 복사 에너지 0.5 제곱 센티미터를 받게 됩니다. 즉 온도가 덜 뜨겁게 되는 것이죠. 복사에너지가 지구의 기울기에 의해 넓게 퍼져서 충분한 에너지를 전달하지 못하는 계절이 바로 겨울입니다. 그러면 복사에너지가 좁은 지역에 집중해서 에너지를 전달하는 계절은 여름이겠죠. 이것이 바로 자연의 신비입니다. 지구가 기울어진 것으로 인해서 이렇게 온도차가 발생하게 됩니다. 그 온도차로 인해서 계절이 발생하는 것이죠. 제가 드린 설명이 적절하지도 혹은 이해가 잘 되지 않을 수도 있습니다. 그리고 반론을 제기하실 수도 있겠죠. 이 부분은 나중에 기회가 된다면 그림으로 친절하게 설명 드리겠습니다. 우선 열 복사 에너지로 온도차가 발생할 수 있고 계절 변화를 만든다고 이해하고 넘어가시면 될 것 같습니다. 자연에서만 열 복사를 찾지 않아도 됩니다. 정형외과나 안과에서도 열 복사의 예를 찾을 수 있습니다. 정형외과에 따라서 뜨거운 찜질을 할 때 신체에 집적 닿지 않는 경우도 있던 것으로 기억합니다. 뜨거운 빛을 쬐어서 찜질을 하는 경우가 있습니다. 이것도 복사 에너지입니다. 직접 접촉하지 않고 따뜻한 기운을 느끼게 해줍니다. 정형외과 관련 전문가가 아니기 때문에 예전에 봤던 것으로 말씀드리는 것입니다. 참고해주세요. 추가로 안과에서 눈 찜질을 할 때가 있습니다. 이때 눈을 감으라고 하고 어떤 기계 앞에 눈을 갖다 댑니다. 직접 접촉하지 않으나 따뜻한 기운이 느껴집니다. 이것도 열 복사로 인한 에너지 전달입니다. 눈이 따뜻하니 기분이 좋아지게 됩니다. 직접 신체에 닿은 상태에서 열 전달하는 것은 전도입니다. 어떤 의료적 목적 때문에 전도 방식이 아닌 복사 방식으로 따뜻하게 한 것으로 생각합니다. 이제 이 글을 읽고 나서 주변에서 열 복사의 형태를 많이 찾으실 수 있을 겁니다. 생각보다 흔한 방식이기 때문이죠.