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숨은 열을 이용한 친환경 냉난방 Act. 1 Act. 2 Act. 3 Act. 4 Act. 5 에어컨이 지구를 데운다? 물의 세 가지 상태 상태변화와 에너지 상평형과 삼중점 열의 이동과 단열 - 1 -

< 프로젝트 개요> 프로젝트 숨은열을 이용한 친환경 냉난방 개요 학습목표 대상학년 및 수준 중학교 1 학년의 상태변화 단원에서 물질의 상태와 변화, 상태변화 와 에너지의 출입, 상태변화와 분자배열에 대한 학습이 이루어지고 있다. 상태변화와 에너지의 출입관계에서는 에어컨과 냉장고의 원리가 소개되고 있으며, 냉매와 오존층의 파괴에 관련된 자료도 함께 제 공되고 있다. 본 활동은 상태변화와 에너지의 출입과, 열의 이동과 단열, 에어컨의 원리 등에 대한 지식과 적용 활동을 통하여 석빙고 나, 이글루처럼 단열과 에너지의 소모를 최소화하고, 현재의 냉난 방기기를 보조하거나 대체하는 수준의 냉난방 장치나 시스템을 고 안하는 것을 최종 목표로 한다. 물질의 상태변화 현상에 대한 관찰을 통해 상태변화에 대해 정의 할 수 있다. 융해열과 기화열을 유용하게 이용하는 사례를 분석하여 상태변 화에 따른 에너지의 출입관계를 유추할 수 있다. 상태변화에 따른 분자의 배열을 분자운동과 에너지 이동의 개념 으로 설명할 수 있다. 열의 이동을 차단하는 다양한 단열방법을 제시하고 그 효율성을 비교 분석할 수 있다. 이산화탄소와 물의 상평형그림을 이용하여 각 물질의 물리적 성 질의 원인을 분석할 수 있다. 상태변화 시 출입하는 열을 냉난방에 이용하는 주택을 설계할 수 있다. 다양한 방법으로 제시된 냉난방 시스템의 유용성과 효율성을 분 석하고, 문제점을 종합하여 평가할 수 있다. 7 학년( 상) 소요예상 차시 관련개념 10차시 에어컨의 원리, 이글루의 난방효과, 물과 이산화탄소의 상태변화, 상태변화와 분자운동, 열의 이동, 단열, 숨은열 관련교육과정 - 2 -

Act. 1. 에어컨이 지구를 데운다? Step 1. Step 2. Step 3. Step 4. Step 5. 개요 에어컨의 구조와 원리 프레온가스와 오존층 여름을 시원하게, 겨울을 따뜻하게 얼음골의 비밀.. - 3 -

Step 1. 개요 우리나라 여름은 해마다 최고기온을 기록할 만큼 덥습니다. 특히 도심의 여름은 건물의 냉방장치에서 뿜어져 나오는 열기로 사우나를 방불케 하죠? 무더운 여름을 나는데 꼭 필요 한 에어컨이 왜 도시를 데울까요? 냉장고 문을 열어 두면 실내 공기의 온도는 낮아질까요? 에어컨에서 시원한 바람이 나오는 원리를 알아봅시다. - 4 -

Step 2. 에어컨의 구조와 원리 에어컨은 어떻게 실내공기를 차게 만들까요? 에어컨의 냉방원리와 구조를 알아봅시다. 에어컨의 핵심은 액체가 기체로 변하는 증발 현상입니다. 다른 분자들이 잡아당기는 인력 을 이겨낼 정도의 충분한 에너지를 가지고 있지 못한 액체 분자가 자유롭게 움직이는 기체 로 변하려면 주위에서 열을 흡수해야 합니다. 에어컨은 액체가 증발할 때 주위에서 열을 빼 앗는 증발열을 이용한 것으로, 냉매로는 저온에서도 증발하기 쉬운 액체가 사용되는데, 보통 프레온 가스가 사용됩니다. 에어컨은 어떻게 실내공기를 차게 만들까요? 에어컨의 냉방원리와 구조를 알아봅시다. Q. 지금까지 에어컨의 구조와 원리에 대하여 알아보았습니다. 시의 기온이 오히려 올라가는 이유가 무엇일까요? 에어컨을 많이 사용하면 도 Q. 에어컨을 사용한 냉방이 가진 또 다른 문제점은 무엇일까요? - 5 -

Step 3. 프레온가스와 오존층 지구는 대기로 둘러 싸여 있습니다. 대기권은 지구 표면 에서 약 120 km 정도입니다. 이중 성층권의 약 20-30 km 부근에는 오존(O3) 의 농도가 특히 높은 곳을 오존층 이라고 합니다. 오존층이 어떻게 지구를 보호 할까요? 오존층은 태양 광선의 자외선을 대부분 흡수하여, 지상의 생명체를 보호하는 역할을 합니다. 자외선은 눈에는 보이 지 않지만 태양에서 형성된 매우 파장이 짧은 광선으로 자 외선의 일부는 생명체의 유전자를 파괴는 살상의 기능을 가지고 있습니다. 이런 유해한 자외선을 오존층이 막아주 는 것입니다. 오존은 생성 및 분해 과정에서 모두 자외선 을 흡수합니다. 이러한 화학반응을 통해 오존은 자외선을 차단할 수 있는데 오존의 농도가 줄어들게 되면 이런 반응이 일어날 수 없기 때문에 자외선 은 그대로 제거되지 않고 지상으로 내려올 수 있습니다. 오존층 파괴의 원인은 무었일까요? 오존층 파괴의 원인은 무엇일까요? 오존은 염소 원자에 의해서 분해 되어 사라집니다. 염소 원자가 오존과 반응하 면 일산화염소와 산소로 분해 되어 사라지고, 일산화염소 는 다시 산소 원자와 반응하여 염소 원자와 산소로 분해 된 염소는 오존을 또 공격하게 됩니다. 이러한 연속된 반응으로 염소원자가 계속해서 오존을 분 해하여 염소 원자 1개가 약 1만개의 오존을 분해시켜 버 린다고 합니다. 오존층 파괴 물질인 염소 원자는 프레온이 라고 불리는 염화플루오르화탄소(CFC) 가 분해되면서 나온 것인데, 프레온은 냉장고나 에어콘의 냉매나, 스프레이의 충전제로 쓰이는 인공적 물질로 자 연의 상태에서는 전혀 만들어지지 않으며, 인간에 의해서만 만들어지는 물질입니다. 지표에 서 누출된 CFC가 오존층에 도달하는 시간은 약 10 년 정도가 걸리며, 한번 올라간 CFC가 분해되어 없어지는데 70년에서부터 400 년이나 걸립니다. - 6 -

Step 3. 여름을 시원하게, 겨울을 따뜻하게.. 문명의 이기가 없었던 옛날에는 더운 여름은 시원하게, 추운 겨울은 따뜻하게 보내기위해 어떻게 했을까요? 대체로 물을 이용해 더위를 식히거나 추위를 이기는 방법들입니다. 물은 기화열이 540Kcal/Kg 응고열이 80Kcal/Kg 으로 기화열이 큰 편이므로 일상적으로 물을 이 용해 기온을 조절하는 예가 많습니다. Q. 생활 속에서 물질의 상태 변화를 냉난방에 이용하는 예를 찾아봅시다. Q. 물질의 상태 변화를 냉난방에 이용하는 경우 공통적인 원리는 무엇일까요? - 7 -

Step 5. 얼음골의 비밀.. 1687년 11월25 일, 여행가인 찰스 W. 켐펠(Charles W. Campbell)은 페르시아의 가르몬에서 매우 흥미로운 관찰 에 대하여 형에게 편지를 쓰고 있다.[ 여기서 견디기 어려 운 열풍은 습기를 포함하고 있지 않기 때문에 물이나 다 른 모든 액체의 온가 너무 낮아 거의 마실 수도 없습니 다...] 기화열로 물을 얼릴 수 있을까요? 소설 동의보감에서 허준의 스승인 유의태가 자신의 죽음을 예견하고 제자인 허준에게 인체해부의 기회를 주기 위해 밀양의 얼음골로 허준을 불러들인 장면이 있습니다. 이이야기의 배경인 얼 음골은 경상남도 밀양에 실제로 존재하는 곳입니다. 한여름에도 얼음이 얼 정도로 차가운 온도가 유지 된다는 얼음골의 신비를 풀기위해 노력하고 있지만 아직 완전하게 그 비밀을 밝혀내지 못했답니다. 이 얼음골에 대한 두 가지 의견이 있습니다. < 얼음골에 대한 두가지 학설> [ 학설 1] 얼음골 골짜기의 화산암에 의한 자연대류 구조 가 치밀하지 않고 미세한 구멍이 뚫린 다공성의 돌인 화산암이 얼기설기 싸인 너덜에 공기가 큰 저항 없이 통과하기 쉽고 겨우내 차가워 졌던 공기가 여름이 되면 밀도차이에 의해 밖으로 흘러나온다. [ 학설 2] 지하수에 의한 기화열 얼음골은 일사량이 극히 적고 단열효과가 큰 지형적 특징으로 겨울의 찬 공기가 여름까지 머무는 상태에서 암반 밑의 지하수가 지표 안 팎의 급격한 온도차에 의해 증발 하면서 기화열을 빼앗 아 얼음이 언다. Q. 여러분은 밀양의 얼음골이 어떻게 한여름에도 얼음을 얼릴 정도로 찬 바람을 만들 수 있다고 생각하나요? 두 가지 학설 중 어느 쪽에 동의하나요? 아니면 다른 이유가 있다고 생 각하나요? Q. 여러분의 생각을 확인해 볼 수 있는 장치를 설계해 봅시다. 얼음골처럼 냉장고나 에어컨 같은 냉각 장치 없이 낮은 온도를 만들 수 있는 장치를 생각해 보세요. Q. 얼음골처럼 여름에는 찬 바람이 나오고 겨울에는 따뜻한 바람이 나오는 곳에 집을 짓는 다면 냉난방으로 인한 에너지 낭비나, 오존층 파괴와 같은 환경오염도 걱정할 필요가 없겠 죠? 여러분이 미래의 냉난방 장치를 만든다고 생각해 봅시다. 미래의 냉난방 장치는 어떤 조건을 갖추어야 할까요? - 8 -

Act. 2. 물의 세 가지 상태 Step 1. Step 2. Step 3. Step 4. Step 5. Step 6. Step 7. 고체, 액체, 기체 얼음을 가열해 봅시다. 얼음을 가열할 때 온도의 변화 증발과 끓음 상태변화와 열의 이동 고체, 액체, 기체분자 물의 상태변화는 열의 출입과 함께 일어나요. - 9 -

Step 1. 고체, 액체, 기체 물은 고체, 액체, 기체 세 가지 상태로 존재합니다. 물을 냉각하면 고체인 얼음이 되고, 물 을 가열하면 기체인 수증기가 됩니다. 물의 상태변화에 대하여 알아봅시다. Q. 주변에서 물의 고체 상태와 액체 상태와 기체 상태를 찾아봅시다. 는 예를 찾아보세요. 많아 찾을 수 있습니다. 물이 고체로 존재하 Q. 물이 액체로 존재하는 예를 찾아보세요. - 10 -

Step 2. 얼음을 가열해 봅시다. -10 인 얼음을 가열하면서 온도와 상태의 변화를 관찰합시다. Q. 물의 양과 불꽃의 세기는 무엇을 변화시키나요? Q. -10 얼음을 가열할 때 상태와 함께 변하는 것은 무엇일까요? 왜 변할까요? Q. 상태가 변해도 변하지 않는 것은 무엇일까요? 왜 변하지 않을까요? - 11 -

Step 3. 얼음을 가열할 때 온도변화 Q. 위의 그래프를 보고 여러분이 알 수 있는 과학적 결론을 써 보세요. - 12 -

Step 4. 증발과 끓음 널어놓은 빨래가 마르고 공중화장실에는 수건대신 바람으로 손을 말립니다. 점보다 훨씬 낮은 온도에서도 물이 기화하는 것은 왜일까요? 이와 같이 끓는 액체의 기화가 표면에서뿐만 아니라 내부에서도 일어나는 경우는 끓음이라고 합니다. 액체의 온도가 높아지면, 분자의 운동이 활발해 져 액체를 이루고 있는 분자 사이의 인력을 끊고 기화( 증발) 하는 분 자들이 증가하므로 액체의 증기 압력이 높아집니다. 이 후 특정 온 도( 끓는점) 에 이르면 액체의 증기 압력과 외부 압력이 같아져 액체 의 표면에서뿐만 아니라 내부에서도 격렬하게 기화가 일어나는데, 이런 현상을 바로 끓는다고 하는 것입니다. 증발이란 액체 또는 고체의 표면에서 분자가 기체 상태로 변하는 현상을 의미합니다. 즉, 물질을 이루는 분자 사이의 인력을 극복하 고 물질 표면으로부터 분자가 떨어져 나오는 현상입니다.( 고체가 증 발하는 것은 승화라고 합니다.) - 13 -

Step 5. 상태변화와 열의 이동 얼음이 녹아 물이 되면서 0 가 유지되고 물이 끓는 동안 100 가 유지 됩니다. 왜 계속 가열해도 상태가 변하는 동안에는 온도가 변하지 않을 까요? 고체--> 액체--> 기체로 상태가 변할 때는 주변으로부터 열을 흡수하고, 기체--> 액체--> 고체로 상태가 변할 때는 열을 방출합니다. - 14 -

Step 6. 고체, 액체, 기체분자 액체 상태에서 더 많은 에너 고체 상태에서 에너지가 공급 지가 공급되면 분자의 진동비 되어 분자의 진동이 충분히 율이 더욱 증가하여 분자들이 증가하면 고정되지 않은 점 각각 떨어져 나가 매우 자유 고체상태의 원자와 분자들은 주위를 진동하면서 물질의 내 로운 기체 상태가 됩니다. 기 고정점 주위에서 진동합니다. 부에서 이동하기도 합니다. 액 체분자들은 각각 독립적으로 체의 형태는 더 이상 고정 되 움직이며 용기나 벽에 부딪혀 지 않고 담는 그릇의 모양에 도 운동에너지가 감소하지 않 따라 달라집니다. 습니다. 열을 가하면 분자의 운동에너지가 증가하고 분자의 운동에너지가 감소하면 열이 방출 됩니 다. 즉, 열은 분자의 운동에너지를 변화 시키고 물질의 상태에 따라 분자의 운동 정도가 달 라지므로 상태 변화 시에 에너지가 출입합니다. Step 7. 물의 상태변화는 열의 출입과 함께 일어나요. Q. 얼음이 녹을 때 계속 가열해도 온도가 변하지 않는 이유는 무엇일까요? Q. 물을 가열할 때 계속 가열해도 온도가 변하지 않는 이유는 무엇일까요? Q. 물을 냉각하면 얼음이 됩니다. 1기압에서 물의 어는점은 0 입니다.-20 로 유지되는 냉 동실에서 얼고 있는 동안 물의 온도는 몇 일까요? 왜 그렇게 생각하나요? - 15 -

Act. 3. 상태변화와 에너지 Step 1. Step 2. Step 3. Step 4. Step 5. Step 6. Step 7. 물의 순환과 열의 이동 잠열( 숨은 열) 물의 수소결합 드라이아이스로 한제 만들기 드라이아이스로 한제 만들기( 결과) 건습구 습도계의 원리 이글루의 구조와 난방효과 - 16 -

Step 1. 물의 순환과 열의 이동 물은 보통의 기온과 기압에서 물질의 세 가지 상태를 다가질 수 있는 유일한 물질입니다. 기체와 액체와 고체로 모습을 바꾸면서 날씨와 기후에 영향을 줍니다. 물이 순환하면서 어 떻게 날씨를 변화 시키고 열을 운반할까요? ( 증발, 응결, 증발+ 응결 글씨를 각각 눌러 봅시 다) Step 2. 잠열( 숨은 열) 숨은열의 사전적 의미는 물질이 온도 압력의 변화를 보이지 않고 평형을 유지하면서 한 상( 相 ) 에서 다른 상으로 전이할 때 흡수 또는 발생하는 열로 잠열( 潛 熱 ) 이라고도 합니다. 융 해열 증발열( 기화열) 승화열 등이 숨은열입니다. 일반적으로 고체에서 액체로 변할 때 주위 로부터 빼앗은 숨은열을 융해열이라 하고, 액체를 기체로 바꾸기 위해 필요한 숨은열을 증 발열이라 하며, 각각 1g 의 물질을 바꾸는 데 필요한 열량( 칼로리) 으로 크기를 나타냅니다. 끓고 있는 물이나 융해중인 얼음에 가해진 숨은열은 물( 액체) 을 수증기( 기체) 로 바꾸고, 얼 음( 고체) 을 물( 액체) 로 바꾸기 위해서만 소비되며, 수증기가 응결하여 물이 되는 경우나 물 이 응고할 때는 그 열을 외부로 방출합니다. 물의 기화열은 약 540cal/g 이며, 융해열( 응고 열) 은 약 80cal/g 으로 다른 물질에 비해 높은 편입니다. - 17 -

Step 3. 물의 수소 결합 일반적으로 물질은 분자의 상대적 질량이 클수록 끓는점이 높아지는 경향이 있습니다. 러나 물은 분자의 상대적 질량에 비해 매우 높은 끓는점을 갖는 이유가 무엇일까요? 그 물은 수소결합 때문에 비슷한 분자량의 다른 물질에 비해 끓는점과 녹는점이 높고, 융해 열과 기화열이 크며, 표면장력과 비열이 큽니다. 또한 고체 상태인 얼음의 밀도가 액체 상태 인 물의 밀도 보다 작은 것도 얼음의 수소결합 때문입니다. - 18 -

Step 4. 드라이아이스로 한제 만들기 드라이아이스는 얼음보다 낮은 온도에서 승화하므로 냉각제로 활용하기 좋은 물질입니다. 다음과 같이 드라이아이스를 잘게 부수어 100g 의 에탄올에 넣은 것과 100g의 물에 넣은 것을 비교해 봅시다. Step 5. 드라이아이스로 한제 만들기( 결과) Q. 물이 든 비커의 온도가 0 이하로 낮아지지 않는 이유는 무엇일까요? Q. 에탄올로 만든 한제의 온도가 더 낮은 이유는 무엇일까요? - 19 -

Step 6. 건습구 습도계의 원리 Q. 증발이 많이 일어날수록 건구의 온도와 습구의 온도 차이는 어떨까요? Q. 건습구습도계로 습도를 측정하는 원리는 무엇일까요? Q. 물 1g이 기화하면서 주위로부터 약 540cal 를 흡수( 물의 기화열 : 540cal/g ) 하고, 물 1g이 얼면서 주위로 약 80cal 의 열을 방출( 물의 응고열 : 80cal/g ) 합니다. 그렇다면 외부로 부터 열의 흡수나 방출이 없다고 가정한다면 기화열만으로도 물을 얼릴 수 있을까요? 0 물 10g을 얼려서 0 얼음이 되려면 몇 g 의 물이 증발하면 될까요? - 20 -

Step 7. 이글루의 구조와 난방효과 툰드라 기후의 이글루는 에너지절약형 난방시스템!! 극한지의 주거로서 얼어붙은 땅이 조금 녹는 여름 이외 에는 일년 중 눈이나 얼음으로 갇 혀 있는 캐나다 북부의 툰드라 지역에서 수렵 생활을 하는 이누이트는 겨울에 언 눈덩어리 를 잘라 블록을 쌓아서 동굴형태의 이글루라는 집을 짓는다. 지름 5m크기의 10인용 눈 집 을 한 사람이2 시간 정도면 지을 수 있다. 이글루의 조명과 난방은 짐승의 지방을 태워서 얻 으며, 공기를 머금은 두터운 얼음벽이 영하 40 C인 바깥 공기를 차단해주어 2~5 C의 실내온 도를 유지할 수 있다. 표면적을 최대한 작게 할 수 있는 반구형이기 때문 에 찬바람의 영향 이 최소로 억제되고, 실내는 위쪽으로 갈수록 좁아지기 때문에 따뜻한 공기가 효율적으로 퍼져, 단 한 개의 오일램프로도 따뜻하게 지낼 수 있는 에너지 절약형 주택이다. Q. 바깥 기온은 -45 이고 이글루의 내부의 기온은 5 라고 할 때 반지름이 3m 인 반구 형 이글루의 난방효과를 계산해 봅시다. * 공기의 비열은 약 0.25cal/g?, 밀도는 약 1.2Kg/m3( 실제 공기의 비열과 밀도는 온도, 습도, 압력에 따라 다르다), 물의 응고열은 80cal/g 라고 합시다. Q. 외부로 빼앗기는 열이 없다고 가정할 때 이글루의 난방효과는 에탄올을 얼마나 연소시 킨 것과 같은 난방효과인가요? * 에탄올이 1g 연소하면서 발생하는 연소열은 약 7.14Kcal 입니다. - 21 -

Act. 4. 상평형과 삼중점 Step 1. Step 2. Step 3. Step 4. 드라이아이스 폭탄 드라이아이스가 녹지 않는 이유는? H2O와 CO2의 상평형그림을 비교 해 보세요. 드라이아이스 녹이기 - 22 -

Step 1. 드라이아이스 폭탄 드라이아이스가 폭발하여 잠시 소란이 있었던 야구장 이야기 입니다. 한 이유는 무엇일까요? 드라이아이가 폭발 야구장 전체를 뒤흔들 정도의 강렬한 폭발음이 들려온 것은 5월27 일 롯데 : 두산 프로야 구 5 회말 경기가 한창 진행되던 사직야구장에서의 일이었다. 포수 뒤에 위치한 사진기자석 에서 600mm 망원렌즈로 폭발음이 들린 센터쪽 외야석을 살펴보니 관중들이 우왕좌왕하는 가운데 한 어린이가 공포에 질린 표정으로 비명을 지르고 있었다. 주변상황을 취재한 결과 한 초등학생이 더위를 식히기 위해 드라이아이스를 플라스틱 용기에 넣고 흔들다가 무더운 날씨에 빠른 속도로 승화한 드라이아이스가 밀폐된 용기내에서 팽창하면서 폭발한 사고임을 알게 되었다. 이 폭발사고로 당사자인 김(11 세) 군이 양손과 목에 플라스틱 파편이 박히는 부 상을 입었고, 강렬한 폭발음에 놀란 일부 관중들이 대피하는 등 소동이 벌어졌다. 김군은 인 근에 있던 빙과류 판매상에게서 드라이아이스를 얻어 두 개의 용기에 넣고 양손에 쥐고 흔 들었다고 했다. 폭발하지 않은 나머지 용기에도 승화된 드라이아이스 가스가 가득차 있어 상당히 위험한 상태였다. (2001.5.27 부산 사직야구장) - 23 -

Step 2. 드라이아이스가 녹지 않는 이유는? 물질의 상태는 온도와 압력에 따라 변하게 되는데, 온도와 압력에 따라 기체, 액체, 고체가 서로 변하여 이루는 평형 관계를 나타낸 그래프를 상평형그림(Phase Diagram) 라고 합니다. 물과 이산화탄소의 상평형에 대하여 공부해 봅시다. ( 그림의 선에 마우스를 갖다대면 설명 이 나옵니다.) Step 3. H2O와 CO2 의 상평형 그림을 비교해 보세요. Q. H2O와 CO2 의 상평형그림을 비교해 봅시다. 가장 큰 차이점은 무엇이며 그로 인해 H2O와 CO2 는 어떤 특성을 갖나요? Q. 얼음도 승화할 수 있을까요? 물의 상평형그림을 보고 생각해 봅시다. Q. 드라이아이스가 보통의 대기압 하에서 승화하는 이유는 무엇일까요? - 24 -

Step 4. 드라이아이스 녹이기 우리는 H2O와 CO2의 상평형그림을 공부하면서 물과 드라이아이스의 특징을 자세히 알 아보았습니다. 드라이아이스의 상평형그림 분석을 통하여 드라이아이스도 적당한 압력과 온 도를 유지해서 녹이면 액체 이산화탄소가 될 수 있다는 것을 알았습니다. Q. 드라이아이스를 녹여 액체 이산화탄소를 만들 수 있는 실험 장치를 설계해 봅시다. Q. 드라이아이스와 물의 상태 변화를 냉난방에 이용할 수 있을까요? 가능하다면 어떻게 이용할지 의견을 제시해 봅시다. 불가능하다면 무엇이 문제인지 토의해 봅시다. - 25 -

Act. 5. 열의 이동과 단열 Step 1. 한번 불을 지피면 49일간 따뜻한 방 Step 2. Step 3. Step 4. Step 5. Step 6. Step 7. Step 8. 열은 어디로 흘러갈까? 열의 전도와 대류 애플파이의 비밀 태양열이 지구까지 어떻게 올까요?-열의 복사 열의 이동을 막을 수 있을까요? 최근 주목받고 있는 주택 단열시공 숨을 열을 이용한 친환경 주택의 냉난방 - 26 -

Step 1. 한번 불을 지피면 49일간 따뜻한 방 지리산 반야봉의 동남쪽 해발 약 8백m 고지에 자리 잡은 칠불사에는 신라 금관가야에서 온 구들도사 담공선사가 만든 아자방 이라는 구들방이 있었습니다. 고래모양이 아( 亞 ) 자처럼 생 겨서 붙여진 이름인데, 이 방에 불을 한번 지피면 열기가 무려 49일 동안 유지됐다고 합니 다. 현재 아자방은 조선시대와 한국전쟁 당시의 몇 차례 화재로 그 원형이 사라져서 1982년 구들 명장인 김용달(82 세) 옹이 이를 복원한 것입니다. 이때 이를 확인해본 결과 봄 가을에 온기가 10 일 정도 유지된다고 합니다. 구들전문가들은 전설의 49일이 유지 불가능 할 것으 로 생각하고 있지만 이 같은 불가사의한 전설이 내려올 정도로 구들은 한민족이 자랑스럽게 생각하는 효율적인 우리 고유의 난방법인 것입니다. 그런데 어떻게 구들은 오랫동안 열기를 보존할 수 있는 것일까요? 구들의 구조와 열기의 흐름 - 27 -

Step 2. 열은 어디로 흘러갈까? 차고 따뜻한 정도를 온도라고 합니다. 그런데 자연 상태에서는 온도가 다르면 항상 온도 가 같아지려는 작용이 일어납니다. 온도가 같아지려면 온도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 에 너지가 흐르는데 이것을 열이라고 합니다. 즉 열이란 온도 차이에 의해 옮겨지는 에너지인 셈이죠. 열은 에너지의 일종으로 물체의 온도나 상태를 변화시킵니다. 열을 정량적으로 측정 하기 위해서는 열량이라는 물리량을 사용하는데, 열량 단위로서는 일반적으로 칼로리 (calorie: 기호 cal) 를 사용합니다. 또, 열을 에너지의 한 형태로서 취급할 때는 에너지의 공통 단위인 줄(joule: 기호 J) 로 표시하기도 합니다. 온도가 다른 두 물체를 접촉시키면 어떻게 될까요? 열평형 상태란? 온도가 다른 두 물체를 접촉시켰을 때 고온의 물체에서 저온의 물체로 열 이 이동하여 두 물체의 온도가 같아 열의 이동이 없는 상태를 말합니다. 외부와 단열 된 상 태에서 두 물체를 접촉시켰을 때, 고온의 물체에서 잃은 열량은 저온의 물체에서 얻은 열량 과 같습니다. ( 고온체가 잃은 열량) = ( 저온체가 얻은 열량) - 28 -

Step 3. 열의 전도와 대류 열의 전도 두 물체가 접촉되어 있을 때 온도가 높은 물체의 분자는 큰 운동 에너지를 갖고 있으므로 빠른 속도로 운동하여 온도가 낮은 물체의 분자에 충돌( 격자운동) 합니다. 이렇게 충돌하면서 고온 물체의 에너지가 저온 물체로 이동하는 현상을 전도라고 합니다. 금속은 자유 전자가 많고 이들이 열전도를 도우므로 전기적 양도체는 열전도율이 큽니다. 기체는 액체나 고체에 비해 분자 또는 자유전자에 의한 충돌이 적어 열전도율이 낮기 때문에 일반적으로 열전도율 의 순서는 금속( 고체)> 액체> 기체, 비열의 순서는 기체> 액체> 금속( 고체) 입니다. 전도는 주로 고체 내에서 열의 이동 방법이라고 할 수 있습니다. 금속의 끝을 가열하면 전체가 뜨거워지 는 것은 열의 전도 현상에 의한 것입니다. 열의 전도 현상에 의한 것입니다. 금속의 끝을 가열하면 전체가 뜨거워지는 것은 열의 대류 유체상태( 액체나 기체) 대류라고 합니다. 내의 분자들이 직접 이동하여 분자운동에너지를 전달하는 방법을 액체나 기체 상태에 있는 분자들은 열을 받으면 분자운동이 활발해져서 부피가 팽창하고 밀도도 작아지고 상대적으로 가벼워지므로 위로 올라가고 저온 부분은 밀 도가 커져서 아래로 내려옵니다. 따라서 기체나 액체 ( 유체 상태) 내에서는 분자들의 집단적 이고 순환적인 흐름에 의해서 열이 이동됩니다. 이러한 현상을 대류라고 합니다. 즉 대류는 분자들이 직접 이동하면서 분자운동에너지를 전달하는 방법입니다. - 29 -

Step 4. 애플파이의 비밀 Q. 애플파이나 진한 쌀 스프가 잘 식지 않는 이유는 무엇일까요? Q. 전도와 대류의 차이점은 무엇인가요? Q. 또 전도와 대류를 막는 방법은 어떤 것이 있을까요? Step 5. 태양열이 지구까지 어떻게 올까요? - 열의 복사 열의 복사 열이 매질을 통하지 않고 고온의 물체에서 저온의 물체로 빛의 형태로써 이동하는 것을 열의 복사라고 합니다. 전도나 대류와는 달리 열에너지의 형태로 직접 전달되는 방법입니다. 태양복사에너지와 지구복사에너지는 보사의 대표적인 예라고 할 수 있습니다. 태양으로부터 복사되는 에너지와 지구에서 방출되는 에너지는 같으므로 지구의 평균기온 이 일정하게 유지됨을 알 수 있다. 흔히 온실가스라고 불리는 이산화탄소는 온실의 유리처 럼 태양복사에너지는 통과시키고 적외선형태로 방출되는 지구복사 에너지는 막기 때문에 문 제가 되는 것입니다. - 30 -

Step 6. 열의 이동을 막을 수 있을까요? Q. 보온병의 각 부분에서 열의 흐름을 막는 원리를 찾아봅시다. Q. 보온병도 오랜 시간이 지나면 물이 식게 되는 이유는 무엇일까요? Step 7. 최근 주목받고 있는 주택 단열시공 주택의 경우 단열과 환기를 함께 고려해야하므로 보온병의 단열방법을 그대로 사용할 수 는 없겠지요? 최근 주목받고 있는 주택 단열시공에 대해 알아봅시다. 옥상녹화 공법 기존의 옥상녹화 공법에서는 일반적으로 단열재-콘크리트-방수-배수-토양층의 순서로 시공되고 있지만, 외단열 공법으로 수행되는 단열 옥상녹화 구성공법에서 는 콘크리트-단열재-방수-배수- 토양층의 순서로 시공되어 진다. 특히 이 공법에 서 사용되는 배수/ 보수판은 단열 성능을 지니고 있어 옥상녹화의 단열성능이 강 화된다. 우리나라의 경우, 옥상녹화 공법으로 파라소공법과 파르데스공법 등이 개 발되고 있으나, 이 들은 주로 인공토양의 개발에 중점을 두고 있으며 기타 소재 의 개발이 미흡한 실정이다. 국내의 기후와 풍토에 맞는 인공토양 뿐만 아니라 옥상녹화에 이용될 수 있는 배수재와 방수재 등 소재 개발에도 많은 연구와 노력 이 필요하다고 보여진다. 한국건설기술연구원에서는 외단 열을 기본으로 하여 단 열 옥상녹화 공법과 우수유출억제성능을 지닌 옥상녹화공법 개발을 위한 연구가 진행 중에 있다. 이 밖에도 다양한 단열 방법들이 연구 개발되고 있습니다. - 31 -

Step 8. 숨은 열을 이용한 친환경 주택의 냉난방 최근 자연을 파괴하지 않고 자연과 하나 되어 살 수 있는 친환경 생태주택이나 지열, 태 양열 등 대체 에너지를 이용하는 주택을 설계하기도 하고, 효과적인 단열을 위해 옥상에 정 원을 만들거나 이중창을 사용하기도 합니다. Q. 우리가 사용하는 냉난방장치들이 열의 전도, 대류, 복사 중 어떤 방법을 이용하는지 찾 아봅시다. Q. 가장 흔하게 사용하는 보일러, 난로, 온풍기, 에어컨, 선풍기 등의 냉난방 장치를 효과 적으로 시용하는 방법을 찾아봅시다. Q. 이제 여러분이 공부한 상태변화에 따른 숨은열, 정보를 이용하여 냉난방 시스템을 개발해 봅시다. 열의 이동과 단열 방법 등의 지식과 - 32 -