Ⅰ. 서론
잠열은 숨은열을 뜻합니다. 어떤 물체가 온도의 변화 없이 상태가 변할 때 방출되거나 흡수되는 열을 말합니다. 잠열이 발생될 때 물질은 상태 변화 (고체 -> 액체, 액체 -> 기체)가 일어나는 동안 가열하여도 온도가 변하지 않습니다.
그래서 상태가 변하는 동안 물질에 가해진 모든 열을 잠열 또는 숨겨진 열이라고 합니다. 온도 즉, 열이 변화하는 대신에 물질의 상태가 달라지는 것을 뜻하므로 이때는 물질을 가열하지 않고 차게 하여도 비슷한 현상이 일어납니다. 잠열의 경우는 물질의 변화 상태에 따라 여러 가지로 불리는데 예를 들면 물이 증발할 경우를 증발열(기화열), 반대로 증기(기체)가 응축해서 물(액체)이 될 경우를 응축열, 얼음이 녹아 물이 될 경우는 융해열, 물이 응고(얼어서)되어 얼음이 되는 경우를 응고열이라고 합니다.
일상생활에서 잠열을 활용한 사례를 찾아보던 중 요즈음 같이 무더운 날 우리가 자주 사용하는 에어컨이 잠열의 원리를 사용하여 작동된다는 사실을 알게되었습니다. 에어컨은 주로 여름에 집안의 과도한 습기를 제거하고 공기의 온도를 낮추어 쾌적한 생활환경을 만드는 데 사용되는 냉방기구를 의미합니다. 대한민국의 여름 날씨가 해가 갈수록 폭염이 잦아지고 있기 때문에, 에어컨의 수요는 계속해서 증가세에 있습니다.
이제 우리는 에어컨이 없는 여름을 생각할 수 없는 세상이 되었습니다. 그래서 저는 학교, 식당, 학원 등 우리 주변에서 쉽게 찾아 볼 수 있는 에어컨의 작동원리를 알아보고 싶어 졌습니다. 또한 저는 에어컨을 사용할 때 항상 ‘에어컨을 틀면 어떻게 이렇게 금방 시원해질까?’라고 궁금했었는데 이번 기회를 통해 그 궁금증도 해결해보고 싶었습니다. 그래서 일상생활에서 잠열을 이용한 사례연구라는 주제로 에어컨을 선택하게 되었습니다.
Ⅱ. 본론
1. 에어컨의 기본 원리는
에어컨의 기본적인 원리는 한마디로 기화열에 의한 냉각입니다. 액체가 기체로 기화할 때는 열을 흡수하고 기체가 액체로 응축할 때는 열을 방출합니다. 이 중 기화할 때 흡수하는 열이 기화열입니다.
에어컨은 압축기로 압력을 크게 변화시켜 기체 상태였던 냉각제를 액체로 응축한 후 압력을 낮춰서 증발기 안에서 액체 상태의 냉각제가 다시 증기로 기화할 때 열을 빼앗아 주위의 온도를 낮춥니다. 액체가 기화를 하면서 주위의 열을 빼앗는 현상이 잠열의 현상 중 하나인 ‘증발 잠열’입니다. 에어컨은 이 현상을 이용하여 공간을 냉방시킵니다.
증발 잠열 : 액체를 기체로 바꾸기 위해 필요한 숨은열을 증발열이라 합니다. 예를 들어 여름에 땅에 물을 뿌리면 시원하게 느껴지는 것은 물이 증발할 때 주위에서 숨은열(기화열)을 빼앗기 때문입니다.
이럿듯 냉동기는 이 효과를 적극적으로 이용한 것으로 액화한 기체를 기화기로 기화시켜 주위로부터 기화열을 빼앗아 냉각합니다.
에어컨과 냉장고에 의한 냉각은 많은 기화열을 효율적으로 얻을 수 있는 간단한 냉각 사이클을 통해 이루어집니다. 열은 원래 높은 온도에서 낮은 온도로 이동하지만 에어컨의 냉각 사이클을 통해서 반대 방향인 낮은 온도의 실내에서 높은 온도의 실외로 옮겨갈 수 있게 됩니다. 이로 인해 실내기에서는 찬 바람이 나오고 실외기에서는 더운 바람이 나오게 됩니다.
2 에어컨의 냉각 과정
1. 압축기
실외기 속에 있는 장치입니다. 에어컨은 냉매의 증발 잠열을 이용하는데 실내온도를 낮추기 위해서는 실외기(압축기)에서 고압의 냉매로 압축하여 송풍기로 실외의 공기를 순환시키면서 고압의 액체상태로 만듭니다. 따라서 기체 상태의 프레온 가스를 끌어들여서 강한 압력을 가해 압축 프레온 가스로 만들어냅니다. 압축된 프레온 가스는 밀도가 일시적으로 매우 높아지게 되고 압축 과정에서 분자 충돌 현상이 일어나서 열에너지가 발생해 매우 뜨거운 상태가 됩니다. 대부분의 냉각 시스템은 압축기를 작동하기 위해 전기 모터를 사용합니다.
2. 응축기
실외기 속에 위치하는 장치로 가늘고 긴 관로가 꼬불꼬불하게 지그재그 모양으로 되어있으며 뒤에 방열 팬 이라는 선풍기가 돌고 있는 형태입니다,
압축기를 나온 고온, 고압의 기체는 외부에서 흡입된 공기와 만나 식으면서 액체가 됩니다. 고밀도로 압축된 프레온 가스는 응축기를 지나는 과정에서 상온에서 응축하는 현상이 일어납니다. 이 응축되는 과정에서 프레온 가스는 주변으로 열을 지속적으로 방출하고 방열팬에 의해서 이 열은 실외로 방출됩니다. 이때 열을 방출하므로 실외기에서는 더운 공기가 토출 됩니다.
3. 팽창밸브
실내기나 실외기 어느 한 곳에 있습니다. 좁은 곳을 통과할 때 유체의 속도가 커지고 압력이 낮아지는 현상을 이용해 모세관을 통과시켜 고압 상태인 액체의 압력을 낮춥니다. 압력을 낮추어야 액체가 증발기에서 잘 증발될 수 있기 때문입니다.
팽창밸브는 종류에 따라 형태가 여러 가지지만 기본적인 형태는 프레온 액이 지나는 관로가 갑자기 좁아져서 교착 현상을 의도적으로 발생시키는 것입니다. 이렇게 하면 좁은 관로 이후에 관로가 다시 넓어지면 프레온 액의 밀도와 압력이 일시적으로 매우 낮아져서 반 기체인 안개 상태로 변합니다.
4. 증발기
실내기에 위치하는 장치로 팽창밸브를 나온 액체 상태의 냉각제는 온도와 압력이 모두 낮습니다. 이러한 액체는 주위의 더운 공기에서 열을 흡수해 기체 상태로 증발하게 되는데 주위의 공기는 차가워지고 팬이 돌면서 이 공기를 실내로 내보냅니다.
밀도가 매우 낮아진 프레온 액은 이번에는 상온에서 증발하는 현상이 일어납니다. 프레온 액이 프레온 가스로 변하면서 주변의 열을 흡수하는데 이때 증발기 주변의 공기는 차가워집니다. 이 차가워진 공기를 냉각팬이 실내로 분사하면서 실내의 온도는 낮아지게 되고 증발기를 지나면서 상온의 기체가 된 프레온 가스는 다시 압축기로 가게 됩니다. 완전히 증발된 기체는 다시 압축기로 들어가 냉각 시스템의 순환이 계속되는 것입니다.
Ⅲ. 결론-탐구 결과
에어컨이 작동되는 기본원리가 ‘증발 잠열’에 의한 것이었음을 알게 되었고, 실내에 있는 에어컨뿐만 아니라 차량용 에어컨 또한 같은 원리로 작동한다는 것을 알게 되었습니다. 그러나 에어컨은 저온에서 고온으로 열에너지를 전달합니다. 원래 열에너지는 고온에서 저온으로 이동하는 것이 원칙으로 에어컨의 경우는 자연의 원칙을 거스르기 위해 그만큼의 에너지가 필요하다는 것을 의미합니다.
저온에서 고온으로 열에너지를 전달하는 대표적인 열펌프인 에어컨에서 그 힘은 바로 ‘전기 에너지’입니다. 에어컨은 전기 에너지를 소비해야만 작동할 수 있습니다. 즉 저온에서 고온으로 열에너지를 전달하기 위해 그보다 더 많은 에너지를 소모하므로 인해 회수 불가능한 에너지의 손실이 따르게 된다는 것입니다. 에어컨은 무더위에 지친 우리에게 편안하고 쾌적한 삶을 제공해주는 전자제품이 되었습니다. 하지만 우리에게 주어진 시원한 공기가 미래의 지구 온난화의 주범임을 생각한다면 지나친 냉방을 삼가게 될 것입니다.
에어컨에는 지구 온난화를 일으킨다라는 단점이 있지만 우리의 삶에서 이제는 없어서는 안 될 전자제품 중 하나입니다. 따라서 에어컨을 지나치게 이용하지 않고, 에어컨을 틀었을 때는 창문과 문을 다 닫으며, 적정온도를 유지하여 에어컨을 사용한다라는 기본적인 원칙들을 지키며 에어컨을 사용해야겠다는 생각이 들었습니다. 이런 에어컨의 단점을 보완해줄 수 있는 잠열을 활용한 자연친화적인 생활도 있습니다. 바로 옥상에 풀이나 식물을 심어 녹화작업을 함으로써 여름철 실내 온도를 낮춰 주는 것입니다.
풀과 흙이 머금고 있던 물이 천천히 증발되면서 지붕의 열을 흡수하는 잠열을 이용한 것으로 특히 녹화 지붕을 경사로 만들면 평평하게 만들었을 때보다 반사열은 2배, 증발열은 10배 이상 많아져 실내 온도를 효과적으로 낮출 수 있다고 합니다. 이렇듯 잠열을 이용하여 우리 주변의 온도를 낮출 수 있는 여러 가지 방법들이 있다는 것을 알았고 이러한 원리를 이용하여 좀 더 환경친화적인 냉매제를 만들었으면 좋겠다는 생각을 했습니다.
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