물과 복사에너지 열과 온도

물과 열

 

열과 온도

그릇에 담긴 물을 격렬하게 휘저어 소용돌이칠 정도가 되면 그 물은 시원해진다고 한다. 마찰이 발생하면서 열이 발생해 차가워진다니 말이 안 되는 이야기라고 생각했지만, 후에 소용돌이칠 때까지 반복해서 물을 휘저었고 그때마다 물의 온도가 내려갔다. 실험을 통해 정말 그 말이 옳았다는 것이 밝혀졌다.

젓는 방식에 따라 물을 차갑게 만들 수 있지만 결코 섭씨 4도 이하로 내리지는 못한다고 한다.

소용돌이는 욕실과 화장실 배수구뿐만 아니라 시내나 강에서 흔히 볼 수 있는 자연 현상이다.

 

복사 에너지

복사 에너지는 전자기 에너지이다. 광범위한 전자기파가 여기에 포함된다. 

일상생활에서 많이 찾아볼 수 있다. 전자레인지는 마이크로파를 이용해서 음식을 요리할 수 있고 라디오파는 우리의 의사소통을 돕는다. X-선은 상(image)을 만들 수 있다. 적외선은 우리를 따뜻하게 할 수도 있다. (적외선 난로) 이렇게 서로 특징이 너무 다르게 보이기 때문에 이 모든 파동이 한 가지 전자기파의 스펙트럼에 속한다는 것을 쉽게 잊어버린다.

 

복사에너지의 작용 방식을 이해하려면 전자기파가 어떻게 생겨났는지 알아보자. 전자기파는 언제나 전하의 운동에 의해 발생한다. 어떤 종류의 전하가 진동하더라도 파동이 만들어진다. 진동하는 전하는 전자일 수도 있고 양성자, 핵 심지어 하전 된 커다란 물체일 수도 있다. 이 모든 것이 전자기 파동을 만들어 낸다.

이런 움직임은 원자만큼 매우 작은 것에서부터 복사 에너지를 방출하는 커다란 안테나처럼 광범위하게 걸쳐져 있다.

항상 전하의 앞뒤 진동을 수반한다는 점에서 전자기파 발생 과정은 동일하다고 볼 수 있다.

 

전자기파가 물질을 통과할 때 일어나는 일

모든 물질은 전하를 가지고 있다. 전자기파는 그 전하에 힘을 가한다. 따라서 유입된 전자기파는 물질의 전하가 무엇이든 만나면 그것을 밀거나 당길 것이다. 전하가 이동하는 뜻이다.

통과하는 매질에 따라 전자기파의 지속성 여부가 갈린다. 매질이 동일하다면 약해질 수 있겠지만 전자기파의 기본적인 특성은 변화하지 않는다. 전자기파의 속도가 빠르다면 같은 시간 안에 더 먼 거리를 통과할 수 있을 것이다. 이 말은 파장이 길다는 뜻이다. 전자기파의 파장은 물질을 통과하면서 변화할 수 있다.

 

전자기파는 매질을 통과해 나온다. 매질을 통과한 전자기파는 입사 파장과 달라질 수 있다. 들어갈 때 10마이크로미터 파장을 가진 전자기파가 매질을 빠져나올 때 5 혹은 20마이크로미터의 파장을 가질 수 있다는 말이다.

이 변화는 매질에 특성에 따라 좌우된다. 복잡한 매질을 통과하는 전자기파의 파장은 길어질 수도 짧아질 수도 있다.

전자기파의 대표적인 예를 보면 형광이다. 특정한 파장의 입사광이 일시적으로 물질 내부의 전자를 고에너지 상태로 이동시킨다. 이 전자가 에너지를 내놓으면서 더 긴 파장의 빛을 보낸다.

청색의 입사광이 형광 물질을 통과하면서 붉은빛을 방출하는 것이다. 이 성질을 가진 물질을 적색 형광 물질이라고 부른다.

 

적외선 영역에서도 스펙트럼의 이동이 일어난다. 우리가 사는 집에서 흔히 관찰된다. 

햇볕이 내리쬐면 집의 외벽이 에너지를 흡수한다. 외벽은 그 에너지의 일부를 내벽에, 내벽은 다시 방 안으로 에너지를 방출한다. 그래서 우리는 따뜻함을 느낀다. 내벽에서 방출되는 전자기파의 파장과 진폭은 내리쬐는 햇볕의 것과는 다르다.

 

물에서 나오는 에너지

물에서는 어떤 일이 일어날지 알아보자. 주어진 매질이 방출하는 전자기파의 특성은 간단히 방사율 emissivity이라는 용어로 말한다. 방사율이 높은 물체는 그렇지 않은 물체에 비해 보다 많은 에너지를 방출한다. 에너지가 가득한 상태이다.

전자기파의 방출이 적외선 영역에서 일어난다고 해보면, 이때 방사율이 높은 물체는 낮은 물체와 적외선 카메라에 더 밝게 찍힐 것이다. 구름도 상당한 양의 복사 에너지를 가지고 있다. 사람들은 적외선의 세기가 직접적으로 온도와 관련된다고 생각한다. 복사 에너지라는 개념을 빌려 생각하면 구름이 그 주변보다 더 높은 방사율을 가졌다고 볼 수 있다.

구름 속에서 움직이는 전하가 보다 풍부한 양의 적외선을 만들어낸다. 

일반적인 물보다 배타 구역의 물이 더 적은 양의 복사 에너지를 낸다. 각각의 영역에서 전하의 움직임을 보면 배타 구역에서 전하는 격자에 갇혀 고정되어 있다. 가끔 격자 한쪽에서 다른 쪽으로 이동할 수 있지만 대개 이들은 그대로 있다.

일반적인 물에서는 전하가 자유롭게 이동할 수 있다. 움직이는 전하가 복사 에너지를 만들기 때문에 일반적인 물 영역이 더 밝게 보이는 것이다. 이 이유로 일반적인 물이 배타 구역보다 '따뜻하게' 보인다. 이건 일반적인 물에서 전하의 움직임이 활발한 뜻이다.

 

적외선 이미지의 밝기는 온도가 높다 혹은 낮다고 의미하지 않는다. 그것은 전하의 움직임이 활발하다 혹은 그렇지 않다는 의미일 뿐이다. 적외선 이미지가 밝을 때 온도가 더 높다는 말은 일상에서 편하게 쓸 수 있겠지만, 과학적으로 토론할 경우라면 복사에너지와 같은 안전한 개념을 사용해야 한다. '온도'나 '열' 같은 용어는 피하는 게 좋을 것이다.

복사 에너지와 열 사이의 관계가 모호하기 때문에 '열'과 '온도'라는 용어를 사용할 때는 주의가 필요하다.

우리가 익숙하고 편한 용어를 사용하는 걸 왜 주의해야 하는지는 조금 길어질 수 있어서 이 부분은 다음에 다시 알아보자.

결론은 방출되는 복사 에너지는 전하 움직임의 세기를 뜻한다. 전자기파 스펙트럼의 모든 파장 영역에서 이 말은 사실이다.

 

전문지식을 참고하여 작성하였습니다.