마법같은 '보온병'의 원리는?…열전달의 과학

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(서울=뉴스1) 김승준 기자 = "마호병 가져와라."

어르신의 이 말을 풀이하면, "보온병 가져와라"가 된다. 온라인 쇼핑몰 등에서도 아직 쓰이고 있는 '마호병'은 마법병에서 유래했다.

시간이 지나도 내용물을 따뜻하게 유지시켜 주는 보온병의 기능이 마법 같다는데서 마법병이라는 이름이 붙은 것이다.

과학적으로 엄밀히 말하면, 보온병은 내용물이 가진 열을 유지시켜 주는 것이 아니라 외부와의 열 출입을 최대한 줄여 온도변화를 적게 하는 것이다.

자연계에서 열은 전도, 대류, 복사의 3가지 방법으로 열평형에 이를 때까지 전달된다.

전도는 단순히 온도 차에 의해서만 열이 전달되는 현상이다. 추운 날 연인의 손을 만지면 따뜻한 느낌이 드는 것도 전도의 결과다. 전도는 접촉한 두 물질뿐 아니라 한 물체 내에서도 고온부와 저온부 사이에서도 일어나 같은 온도가 되게 만든다.

대류는 흐르는 성질이 있는 공기나 물 따위를 통해 열이 전달되는 것이다. 물의 밀도는 4도(℃) 이상에서 줄어든다. 그 결과 부력이 발생, 위로 올라가게 된다. 공기도 마찬가지로 온도가 올라가면 팽창해 밀도가 줄어들고, 부력으로 위로 상승한다. 위로 상승한 공기나 물(유체)가 열을 잃어 온도가 낮아지면 다시 하강할 조건이 마련된다. 그 결과 순환이 발생한다. 이 순환은 작게는 방의 난방부터 크게는 날씨, 지구의 열 순환에 관여한다.

전도와 대류는 열을 전달하는 접촉면이나, 공기나 물 같은 유체를 필요로한다. 태양과 지구 사이에는 이러한 접촉면이 없고, 유체도 거의 없다. 하지만, 지구는 태양에서 오는 열에너지를 받을 수 있다. 바로 '복사' 덕분이다.

복사는 전자기파에 의해 일어난다. 감마선, X선, 자외선, 가시광선, 적외선의 형태로 열에너지가 이동하는 것이다. 전자기파는 진공에서도 이동할 수 있어 진공에 가까운 환경에서도 열전달이 가능한 것이다.

보온병은 이 3가지 열전달을 최소화 할 수 있게 설계됐다. 우선 이중벽으로 만들어졌고, 내벽과 외부벽 사이 공간은 진공에 가깝게 만들어졌다. 그 결과 열을 전달할 물질이 없으므로, 전도와 대류가 최소화된다.

또 내벽과 내용물이 닿는 부분은 금속 도금이 되어있어 전자기파에 의한 복사를 최소화한다. 보온병의 마개는 플라스틱이나 고무같이 열전도가 잘 안되는 물질로 만들어져 열 손실을 줄인다.

다만, 완전한 열 차단이 아닌 '최소화'에 머물러 시간이 오래 지나면, 내용물의 온도가 외부와 같아지게 된다.