열의 이동 — 전도·대류·복사와 보온병의 세 가지 장치

아침에 보온병에 담은 뜨거운 물은 저녁에도 따뜻합니다. 같은 물을 컵에 따라 두면 금방 식는데 말입니다. 보온병에는 전기도 불도 없습니다. 보온병이 하는 일은 하나, 열이 빠져나가는 길을 막는 것입니다. 그러려면 열의 이동 방법이 몇 가지인지부터 알아야 합니다. 길은 전도·대류·복사 셋이고, 보온병에는 그 셋을 막는 장치가 하나씩 들어 있습니다.

열이 이동하는 세 가지 방법

열은 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동합니다. 가스 불 위에 올린 냄비 하나에서 세 가지 방법을 모두 볼 수 있습니다.

• 전도. 끓는 국에 담가 둔 금속 국자는 손잡이 끝까지 뜨거워집니다. 뜨거운 쪽의 입자가 활발하게 운동하면서 이웃한 입자를 흔들고, 그 운동이 차례로 옆으로 전해집니다. 입자는 제자리에 있고 운동만 건너갑니다. 주로 고체에서 열이 이동하는 방법입니다.
• 대류. 냄비 바닥에서 데워진 물은 위로 올라가고, 위에 있던 차가운 물이 내려와 다시 데워집니다. 입자가 직접 자리를 옮기며 열을 나릅니다. 흐를 수 있는 액체와 기체에서 일어납니다.
• 복사. 불 옆에 손을 대면 닿지 않아도 따뜻합니다. 열이 빛처럼 직접 건너오기 때문입니다. 열을 전해 줄 물질이 필요 없어서 진공에서도 일어납니다. 태양의 열이 우주 공간을 지나 지구까지 오는 방법입니다.

전도 — 물질마다 빠르기가 다릅니다

금속은 열을 빨리 전도하고, 나무·플라스틱·공기는 느리게 전도합니다. 냄비의 몸통은 금속으로, 손잡이는 플라스틱으로 만드는 까닭입니다.

겨울 교실에서 철제 의자는 나무 의자보다 차갑게 느껴집니다. 두 의자는 같은 교실에 오래 있었으니 온도가 같습니다. 다른 것은 열을 빼앗는 빠르기입니다. 철은 손의 열을 빨리 가져가고, 나무는 천천히 가져갑니다.

공기는 열을 잘 전도하지 않습니다. 솜옷, 스티로폼, 이중창은 모두 공기를 품어서 열의 이동을 늦춥니다. 이렇게 열의 이동을 막는 것을 단열이라고 합니다. 공기를 좁은 틈에 가두는 것은 공기가 움직이면 대류로 열을 나르기 때문입니다.

대류 — 데워진 것은 올라갑니다

물이나 공기는 데워지면 부피가 늘어나 밀도가 작아집니다. 주위보다 가벼워진 부분은 떠오르고, 그 자리를 차갑고 무거운 부분이 채웁니다(대류). 난로는 방의 아래쪽에, 에어컨은 위쪽에 다는 것도 이 흐름을 쓰려는 것입니다. 따뜻한 공기는 올라가고 찬 공기는 내려오면서 방 전체가 고르게 데워지거나 식습니다.

보온병의 세 가지 장치

보온병의 속은 벽이 두 겹인 병입니다. 열이 나가는 세 길을 장치 셋이 나누어 막습니다.

• 진공인 이중벽. 두 벽 사이의 공기를 빼서 진공으로 만들었습니다. 운동을 전해 줄 입자도, 돌아다닐 입자도 없으니 전도와 대류가 일어나지 않습니다.
• 은도금한 벽면. 진공도 복사는 막지 못합니다. 그래서 벽면을 거울처럼 은도금해 복사로 나가는 열을 안쪽으로 되돌려 보냅니다.
• 마개. 입구가 열려 있으면 데워진 공기가 대류로 빠져나갑니다. 열을 잘 전도하지 않는 재료로 만든 마개가 그 길을 막습니다.

찬 음료를 넣어도 오래 차갑습니다. 밖의 열이 안으로 들어오는 길도 같은 세 길이기 때문입니다.

시험에서는 이렇게 나옵니다

• 물질의 필요. 전도·대류는 필요, 복사는 필요 없음(진공에서도 일어남).
• 입자의 이동. 전도는 입자가 제자리에서 운동만 전달, 대류는 입자가 직접 이동.
• 일어나는 곳. 전도는 주로 고체, 대류는 액체와 기체.
• 냉난방 기구. 난로는 아래쪽, 에어컨은 위쪽.
• 단열. 공기를 품은 재료나 진공으로 열의 이동을 늦춤.
• 보온병. 진공 — 전도·대류, 은도금 — 복사, 마개 — 대류·전도.

자주 헷갈리는 것

• "전도는 뜨거운 입자가 옮겨 가서 열을 전한다" — 입자는 제자리에서 운동할 뿐이고, 이웃 입자에 운동이 차례로 전해집니다. 입자가 옮겨 가는 것은 대류입니다.
• "철이 나무보다 온도가 낮아서 차갑다" — 같은 곳에 오래 둔 물체는 온도가 같습니다. 철이 손의 열을 더 빨리 전도해서 차갑게 느껴질 뿐입니다.
• "복사는 태양이나 불처럼 뜨거운 것만 한다" — 모든 물체는 복사로 열을 내보냅니다. 온도가 높을수록 더 많이 내보낼 뿐입니다.

정리합니다. 열은 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로, 전도·대류·복사 세 가지 방법으로 이동합니다. 전도는 입자의 운동이 이웃으로 전해지는 것, 대류는 입자가 직접 움직이는 것, 복사는 물질 없이 열이 직접 건너가는 것입니다. 보온병은 진공으로 전도와 대류를, 은도금으로 복사를, 마개로 입구의 대류를 막아 열을 가둡니다.