[5강 에너지] 온도와 태양에너지

1. 온도의 의미와 그 척도에 관하여

 우리는 온도의 개념을 더위나 추위라는 말과 구분하지 않고 흔히 사용하지만, 온도는 그보다 훨씬 많은 것을 담고 있는 개념이다. 온도가 실질적으로 측정하는 것은 특정 물질의 분자들이 가진 운동에너지인 평균 열에너지이기 때문이다.

 온도는 척도 없이 이야기할 수 없는데, 지난 몇 세기동안 온도를 나타내는 여러 가지 척도가 개발되었고 여전히 사용되고 있다. 이러한 척도의 중요성은 단순히 온도의 차이를 보여주는 차원을 넘어 실제로 그 차이를 숫자로 측정할 수 있게 된 점에서 의미를 가진다. 물이 끓는 온도와 어는 온도는 현재 보편적으로 사용하는 온도 척도에서 중요한 기준 온도가 된다.

 

1) 화씨온도 척도

 화씨온도 척도(Fahrenheit scale)은 가브리엘 파렌하이트의 이름에서 따온 것으로, 물의 어는점을 32, 끓는점은 212로 정한다. 미국인들에게는 아마 화씨온도가 가장 친숙할 것이다.

 

2) 섭씨온도 척도

 파렌하이트 이후, 안데르스 셀시우수는 섭씨온도 척도(Celsius scale)을 만들었다. 셀시우스는 처음에 물이 끓는점을 0, 어는점은 100으로 놓았기 때문에(오타 아니다.) 어는점과 끓는점의 차이가 180인 화씨온도와 비교하여 온도 변화 증가량이 더 커졌다. 셀시우스가 죽은 후, 기준이 되는 어는점과 끓는점이 서로 바뀌어 어는점이 0, 끓는점이 100으로 바뀌었으며, 어는점과 끓는점 사이의 온도 증가량이 100이기 때문에 백분도(centi-grade)로 이름이 바뀌었다. 하지만 20세기 중반에 다시 셀시우스의 이름을 딴 섭씨로 바뀌게되었고 널리 쓰이고 있다. (이런저런 일이 많았던 섭씨온도. 우리는 이 척도가 훨씬 친숙하다.)

 

3) 켈빈온도 척도

 섭씨온도는 흔히 켈빈온도에서 273.15를 뺀 값으로 정의되기도 한다. 켈빈온도 척도(Kelvin scale)은 켈빈경의 이름에서 따왔다. 켈빈온도 척도의 기준점은 절대영도인데, 절대영도는 글자 그대로 이론적으로 가능한 최저온도이다. 0K로 정의된 절대영도는 측정할 수 있는 열이나 열에너지가 존재하지 않는, 원의 열 운동이 멈추는 이론적인 온도이다. (이전에 화1을 배울 때 나왔던 기억이 있다. 온도에 따른 기체의 부피변화) 과학자달은 실험실 상황에서 10억분의 1도까지 근접한 온도를 만들어내긴 했지만, 아직까지 절대영도를 구현하지는 못했다. (그래도 대단...) 지구상에서 기록된 최저온도는 남극 보스토크에서 측정한 -89.2℃(-128.6℉)이다.

 

한눈에 보는 온도의 척도. 기준점은 공통적으로, 물의 어는점과 끓는점이다.

2. 태양으로부터의 에너지

 지구의 가장 큰 에너지원은 지구상에 존재하지않는데, 바로 태양계의 중심에 있기 때문이다. 지구와 가장 가까운 별인 태양은 거대한 원자로와 같은 역할을 한다. 태양은 우주에서 가장 흔한 원소인 수소를 연료로 쓴다. 태양은 네 개의 수소 핵을 충동시켜 하나의 헬륨핵을 만들어내는 화학반응을 계속 반복하면서 에너지를 만들어내는데 이 때의 에너지는 너무 커서 태양밖의 우주를 향해 복사되고(복습! 전이의 한 종류인 복사는 매질이 필요하지 않다!) 지구를 비롯한 다른 행성들에게 열에너지를 공급한다.

 원소 핵들을 융합시키는 실험은 오래 전에 이미 성공했으나, 들어간 에너지보다 더 큰 에너지를 발생시키는 원자로를 개발하지는 못했다. 이는 태양이 인간이 만든 그 어떤 발전소보다 효율성이 뛰어나다는 방증이다. 태양의 표면 온도는 무려 6000℃인데, 굉장히 높은 온도이지만 내부 온도에 비하면 아무것도 아니다. 왜냐하면 태양의 중심핵 온도는 1500만℃ 정도인 것으로 추정되기 때문이다. 이 어마어마한 양의 열로 할 수 있는 양은 상상을 초월한다. 태양표면 6.54㎠의 면적에서는 1초에 100와트 전구 400개에 해당하는 빛이 발산된다(!) 더 놀라운 것은 햇빛의 23억분의 1이 지구에 도달하고, 30억분의 1이 지표면에까지 도달한다고 추산된다는 사실. 나머지 빛은 그저 우주로 흩어지는 것이다.

 

모든 생명의 원동력. 태양.

 3. 태양에너지의 중요한 역할

 태양이 없었더라면 지구상에 생명체는 존재할 수 없었을 것이다. 햇빛과 열은 지구에서 일어나는 중요한 과정들의 원천이 되기 때문이다. 예를 들자면 광합성이 있다. 식물들은 태양의 광자나 빛의 입자를 화학 에너지로 변환한다. 잎은 햇빛과 물, 이산화탄소를 흡수해 식물의 에너지원인 포도당을 만들어 낸다. 이 과정에서 부산물로 산소를 배출하고, 물을 기체상태로 내보낸다. (증산작용) 또한 태양은 지구의 물을 순환시킨다. 태양에서의 열이 바다를 덮히고, 데워진 물이 기체나 수증기 상로 바다 표면에서 증발하는 것이다. 이 기체는 하늘로 올라가 구름을 형성하고, 구름 안의 수증기는 온도가 내려감에 따라 물로 응결하여 비나 눈 등을 통해 지구로 다시 떨어진다. 강우는 땅에 떨어지면 지하수가 되고 강에 떨어지면 지구 표면을 흘러다니다가 큰 호수나 바다로 흘러들어간다. 그렇게 전체 순환이 다시 시작되는 것이다. 

한눈에 보는 물의 순환과정. 이 모든 것이 태양에너지의 힘!