[비주얼 과학교과서] 무시무시한 죽음의 주

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“우아! 드디어 죽음의 주가 끝났다!”
“휴~, 다들 고생했어! 다 끝났으니 야식 먹자!”
시원이가 캠핑장 식당에서 기숙사 친구들인 파부르, 조금만, 오로라와 함께 시끌벅적 이야기를 나누고 있어요. 죽음의 주 동안 무척 고생한 듯 모두 꾀죄죄한 얼굴로 허겁지겁 라면을 끓이기 시작했지요. 과연 죽음의 주란 무엇을 말하는 걸까요? 대체 이들에게 무슨 일이 일어났던 거죠?

 





“파부르가 독충 우리를 열었을 땐 정말 놀랐어! 하마터면 독충에 물려서 고생했을 거야!”

“헛~, 미안. 온실에 희귀한 야광충이 있더라고…. 그것만 얼른 보려고 했는데 그게 독충 우리였을 줄 알았나. 오로라 덕분에 다들 살았지. 핫핫!”

‘죽음의 주’란 신학기가 시작되기에 앞서 진행되는 예비학교 기간을 말해요. 친구들끼리 조를 이루고 힘을 합쳐 마치 미로 같은 학교의 시설물들을 이동하며 미션을 수행해야 하지요. 미션을 수행하기 위해서는 뛰어난 과학지식과 강한 체력은 필수예요. 시원이는 기숙사 친구들과 팀을 이뤄 예비학교에 참석했는데, 다들 예비학교를 무사히 마친 덕분에 기분이 좋았어요. 친구들은 라면이 보글보글 끓는 동안 예비학교 무용담을 앞 다퉈 큰 목소리로 떠들었지요.

“근데 무슨 학교가 이렇게 크냐? 이상한 이름의 연구소들도 보이더라?”

시원이의 질문에 오로라가 대답했어요.

“신풍초는 하나의 산을 전부 차지하고 있어서 선생님들조차 학교에 어떤 건물이 있는지 정확히 몰라. 예비학교는 학생들의 지식과 체력을 시험하는 한편, 학교의 시설들을 익히라는 의도도 담겨 있지.”

“라면 다 끓었다! 얘기 그만 하고 어서 먹자!”

파부르의 말에 배고팠던 친구들이 모두 젓가락을 들고 냄비로 달려들었어요. 그 순간! 갑자기 식당이 크게 흔들리더니 방이 좁아지기 시작했어요.

“끝난줄 알았지? 열의 이동에 대해 정확히 설명하라. 그렇지 않으면 납작한 쥐포 신세가 되고 말걸?”

 

 


비주얼 과학 개념 이해하기



열 : 온도가 높은 물체에서 낮은 물체로 이동하는 에너지. 열을 얻어 온도가 높아질수록 물체를 이루는 입자의 운동은 활발해진다.

대류 : 액체나 기체를 가열하면 온도가 높아지며 팽창해 밀도가 작아지기 때문에 차가운 부분에 비해 가벼워진다. 그 결과 뜨거워진 부분이 위로 올라가고, 대신 위에 있던 차가운 부분이 밀려 내려온다. 결국 전체가 골고루 가열된다. 이처럼 액체나 기체 상태의 분자가 직접 위로 이동하면서 열을 전달하는 현상을 ‘대류’라 한다.

전도 : 고체 속 입자들이 열을 받으면 큰 진폭으로 빠르게 진동한다. 진동하던 입자가 이웃한 입자들을 때려 자신의 에너지를 전달하는 과정이 연속적으로 일어난다. 이처럼 물질이 직접 이동하지 않고 물체 내에서 이웃한 분자들과 연속적으로 충돌하며 열을 전달하는 현상을 ‘전도’라 한다.

복사 : 햇볕을 쬐거나 무대에서 강한 조명을 받으면 따뜻해진다. 이처럼 직접 맞닿거나, 다른 물질을 거치지 않고도 서로 떨어져 있는 고온의 물체에서 저온의 물체로 열이 직접 전달되는 현상을 ‘복사’라 한다.



온도와 열

얼음의 온도는 0℃, 따뜻하다고 느끼는 목욕물의 온도는 약 40℃, 끓는 물의 온도는 100℃예요. 이처럼 ‘온도’란 물질이 차갑거나 따뜻한 정도를 수치로 나타낸 거예요. 보통 숫자와 ℃(섭씨도)라는 단위를 사용해 온도를 나타내지요.

좀 더 자세히 살펴볼까요? 지난 달, 여러분은 물질을 이루는 입자에 대해 배웠어요. 따뜻한 공기 속 입자들의 움직임을 살펴보면 매우 활발하게 움직이는 것을 알 수 있어요. 반면 차가운 공기 속 입자들은 움직임이 훨씬 적지요. 액체나 고체도 마찬가지예요.

다른 점이 있다면 고체 속 입자들은 기체나 액체처럼 자유롭게 돌아다니지는 못하고, 어느 한 곳을 중심으로 진동을 해요. 온도가 높을수록 고체 속 입자들의 진동폭도 크고 속도도 빨라요. 반면 온도가 낮을수록 진동폭도 작고 속도가 느리지요.

한편, 차가운 물질과 따뜻한 물질이 접촉하면 차가운 물질은 온도가 높아지고 따뜻한 물질은 온도가 낮아져요. 열이 따뜻한 곳에서 차가운 곳으로 이동하기 때문이지요. 고체와 액체, 기체에서 열이 어떻게 이동하는지 한번 살펴볼까요?

 


융합 개념 파헤치기

다양한 온도

“현재 서울 기온 영하 18℃, 체감온도는 영하 26℃입니다.”

지난 1월 중순 경, 강추위가 한반도를 덮쳤어요. TV에서는 매일 맹추위를 주의하라는 일기예보가 계속됐지요. 특히 서울 기온이 연일 영하 15℃, 18℃ 등을 기록하면서 동파 사고는 물론, 인명 피해도 잇달았어요. 당시 춥기로 유명한 러시아 블라디보스토크, 미국 알래스카보다 서울 기온이 더 낮거나 비슷한 수준으로 측정돼 큰 화제가 됐지요.

그런데 일기예보를 보다가 궁금한 점 없었나요? 먼저, ℃는 섭씨온도의 단위예요. 스웨덴의 과학자 안데르스 셀시우스가 1742년에 만든 온도지요. 셀시우스는 물의 끓는점을 0℃로, 어는점을 100℃로 정의한 뒤, 이 사이를 100으로 나눈 한 칸을 1℃라고 정했어요. 하지만 그의 정의는 1745년 칼 리네우스에 의해 물의 어는점이 0℃, 끓는점이 100℃로 바뀌지요.

그런데 혹시 ℉란 온도를 본 적 있나요? 이는 화씨온도의 단위예요. 화씨온도는 독일의 과학자 다니엘 파렌하이트가 1720년에 만들었어요. 이것은 얼음의 녹는점을 32℉, 물의 끓는점을 212℉로 한 뒤, 두 온도 사이를 180등분 한 온도예요. 사실 현재 대부분의 국가에서 섭씨온도를 온도의 공식 단위로 쓰고 있어요. 화씨는 미국을 비롯한 극소수의 국가에서만 사용하고 있지요. 화씨온도를 보고 몇 ℃인지 혼란스럽더라도 걱정하지 마세요. 섭씨온도와 화씨온도(℉)는 서로 바꾸어 계산할 수 있답니다.

섭씨온도(℃) = (화씨온도(℉) - 32) ÷ 1.8절대온도라는 것도 있어요. 절대온도는 영국의 과학자인 윌리엄 톰슨이 1848년에 만든 온도로 ‘켈빈(K)’이라는 단위를 써요. 과학자들은 절대온도를 쓰는데, 섭씨온도와 화씨온도가 물의 어는점과 끓는점을 바탕으로 정한 것과 달리 절대온도는 물질의 성질과 상관없이 정해진 온도이기 때문이에요. 절대온도는 절대 영도, 즉 0K를 기준으로 보통의 섭씨와 같은 간격으로 눈금을 붙인 온도예요. 0K는 모든 분자 운동이 정지되는 온도로 영하 273.15℃랍니다.


 
그런데 체감온도라는 건 뭘까요? 기온은 온도계로 재는 건데, 체감온도를 측정하는 온도계가 따로 있는 걸까요? 체감온도란 ‘실외에 있는 사람이 바람과 차가운 기운에 노출됐을 때, 피부로부터 열을 빼앗기며 느끼는 추운 정도를 나타내는 지수’예요. 체감온도는 단순히 기온의 높고 낮음에 따라 정해지는 건 아니에요. 기온뿐만 아니라 바람이나 습도, 햇빛에 따라 달라지기 때문에 이런 요소들을 고려해 계산하지요.

일반적으로 체감온도는 여름에는 바람보다 습도나 햇빛의 영향을 많이 받고, 겨울에는 바람의 영향을 많이 받아요. 겨울에 바람이 세게 불수록 피부가 열을 더 많이 빼앗기기 때문에 체감온도는 더 낮아지죠. 예를 들어, 영하 10℃에서 바람이 시속 5km로 불때는 체감온도가 영하 13℃이지만, 바람이 시속 30km로 불면 체감온도는 영하 20℃까지 떨어진답니다.
 
 


글 : 김정 기자 ddanceleo@donga.com
글 : 이창섭
어린이과학동아 2016년 04호

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