[안현정 선생님의 과학은 껌이다] Part 18. 대류

안녕하세요. 과학 교육 전문가 안현정입니다.
여러분들께서는 부모님 혹은 친구들과 함께 목욕탕에 가본 적이 있으신가요? 깨끗이 샤워를 마치고 열탕에 들어가기 전에는 항상 마음의 준비가 필요합니다. 너무 뜨거워 놀라기 십상이거든요. 온도에 익숙해지려고 손이나 발을 살짝 담가보았다가 뜨겁다며 바로 빼내기를 반복하고 있으면 탕 안에 있는 가족이나 친구가 한소리를 하곤 합니다. 일단 들어오면 뜨겁지 않다구요. 정말 그럴까요? 오늘 시간 열의 이동방법인 대류를 통해 이 비밀을 함께 알아보겠습니다.

[대류란?]
물질(분자)이 직접 이동하면서 열을 전달하는 방법입니다.
다음 두 가지의 실험을 통해서 열의 전달 방법의 모습을 관찰하고
어떤 원리로 이루어지는지를 함께 살펴보겠습니다.

물의 대류 실험
1. 준비물 : 수조, 칸막이, 빨간색 색소, 파란색 색소

2. 실험 준비
: 칸막이로 나누어진 수조 왼쪽에 파란색 색소를 떨어뜨린 차가운 물을 넣고
오른쪽에 빨간색 색소를 떨어뜨린 뜨거운 물을 넣어둔다.

3. 실험
: 칸막이를 제거한 뒤 관찰한다

4. 실험 결과
: 빨간색 색소를 탄 물은 위쪽으로 이동하고, 파란색 색소를 탄 물은 아래쪽으로 이동한다.
온도가 다른 두 물 사이에서는 경계면이 형성되며, 시간이 지난 후 물은 같은 온도로 섞인다.

5. 정리
뜨거운 물은 차가운 물에 비해 상대적으로 열을 많이 가지고 있다. 열은 물 속의 분자활동을 활발하게 만들게 되는데, 이를 통해 분자들이 열심히 움직이게 되면 분자사이간의 거리가 멀어지게 된다. 즉, 같은 공간을 지정하여 물 분자들을 그린다면 상대적으로 뜨거울 때 더 적은 물분자의 모습이 나타나게 되는 것이다. 분자의 수가 적으니 당연히 상대적으로 가벼워질 수박에 없는 물은 위쪽으로 올라간다. 반면 상대적으로 차가운 물은 밀도가 커서 아래로 내려오게 된다.

사각 유리관 실험
1. 준비물 : 스탠드, 사각형 유리관, 물, 붉은 잉크, 알콜램프, 점화기
2. 실험 준비
: 스탠드에 사각 유리관을 연결해두고 관 안에 물을 채워둔다
유리관에 한쪽 끝 아래에 알콜 램프를 준비한다.

3. 실험
: 알콜 램프에 불을 점화하여 사각 유리관 속 물을 가열시킨다.
물의 이동방향을 관찰하기 위하여 윗부분에 붉은 잉크를 떨어뜨린다.

4. 실험 결과
: 붉은 잉크의 이동방향이 시계 반대방향을 향한다.
알콜 램프 가까이 있던 물이 뜨거워져 위로 상승하고, 상대적으로 위쪽에 있던 물은 차갑고 밀도가 무거워서 아래로 이동하게 된다.

5. 정리
뜨거워진 물이 상대적으로 가벼워 위쪽으로 이동하게 되고, 상대적으로 차가운 물은 무거워 아래쪽으로 이동하는 모습을 보인다.

우리 생활 주변의 대류
[목욕탕의 물]
위 실험들을 통해 뜨거운 물은 위쪽으로 상대적으로 차가운 물은 아래쪽으로 이동하는 모습을 보실 수 있으셨을텐데요, 목욕탕의 물도 이와 마찬가지로 대류현상이 일어납니다. 실제로 탕의 위쪽부분의 물이 더욱 뜨겁고, 아래쪽 부분의 물은 상대적으로 차가운 편이지요. 물은 무색 투명하기에 경계선이 없어 이를 육안으로 관찰할 수는 없지만, 탕 안에 있는 사람이 탕밖에 있는 사람에게 ‘막상 들어오면 그리 뜨겁지 않아’라는 말은 거짓이 아닌 과학적인사실로 볼 수 있습니다.

[에어컨과 난로]
위의 예 말고도 실생활에서 대류현상을 많이 만나볼 수 있는데요 바로 냉방기와 난방기에서 주로 보실 수 있습니다. 실내에 에어컨은 항상 키가 크거나 천장에 붙어있는 모양을 하고 있는데요, 바로 차가운 공기가 뜨거운 공기보다 상대적으로 밀도가 무거워 아래로 이동하는 것을 이용하여 공간 전체를 시원하게 하기 위함입니다. 그리고 난로는 대체적으로 아래쪽에 위치하여 따듯한 공기가 아래에서 위로 이동하면서 전체를 따뜻하게 데우는 역할을 합니다. 우리나라의 전통 적인 난방방식인 ‘온돌’또한 이와같은 대류를 이용하고 있습니다.

[해륙풍]
해륙풍이란 맑은 날 해안가에서 하루를 주기로 하여 풍향이 바뀌는 바람을 말하며 육풍과 해풍으로 나뉩니다. 하루를 낮과 밤을 나누어 살펴보겠습니다. 먼저 해가 뜬 낮의 경우입니다. 낮에는 육지가 바다보다 더 빨리 가열되어 육지 쪽 지표면의 공기가 뜨거워져 위로 떠오르게 됩니다. 공기가 상승하여 육지는 상대적으로 저기압이 되고 바다쪽은 고기압이 되는데, 바람은 고기압에서 저기압으로 이동하기 때문에 바다 쪽에서 바람이 불어오는 해풍이 형성됩니다. 밤의 경우는 이와 반대입니다. 해가 사라지면 육지는 바다보다 빠르게 식어버리게 됩니다. 이 떄 바다의 경우 상대적으로 육지보다 따뜻한 상태이기에 바다 쪽의 공기가 위로 떠오르게 됩니다. 상대적으로 바다가 저기압이 되고 육지가 고기압이 되면서 육지에서 바다로 부는 바람인, 육풍이 불게 됩니다.

[맨틀의 대류_지진과 화산]
우리가 밝고 선 땅을 파고 내려가면 지각과 맨틀 외핵과 내핵을 만날 수 있는데요, 이중 맨틀은 푸딩과 같은 형태를 띠며 유동성을 가지고 있습니다. 지각에 가까운 맨틀은 상대적으로 차갑고, 땅속 깊숙히 핵과 가까운 맨틀은 상대적으로 뜨거워서 이 온도차가 나는 맨틀 사이에서는 대류현상이 일어나게 됩니다. 이 맨틀 대류 때문에 땅이 움직이면서 지진과 화산활동이 일어나게 됩니다.

출처= 이투스me 안현정 강사

동아닷컴 교육섹션 정민아 기자 mina@donga.com