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덥다, 더워~! 무더위에 지쳐 가던 섭섭박사님은 에어컨을 켜려다 멈췄어요. 전기도 절약하고, 환경도 지킬 수 있는 방법이 분명 있을 거야! 섭섭박사님은 집안 곳곳을 둘러보다 작은 손 선풍기와 냉장고 속의 아이스팩을 발견했어요.

도전 실험!
선풍기로 간이 에어컨을 만들어라!

손 선풍기를 틀자 미지근한 바람만 나왔어요. 차가운 아이스팩에선 냉기가 나와 손이 시렸지요. 섭섭박사님이 말했어요. 
“선풍기와 아이스팩만 있으면 에어컨을 만들 수 있다고~!”

<준비물>
아이스박스, 손 선풍기 1~2개, ㄱ(기역)자 파이프, 펜, 칼, 아이스팩 여러 개

주의: 칼을 사용할 때는 반드시 보호자와 함께하세요.

 

➊ 뚜껑이 있는 아이스박스를 준비한다.

➋ 아이스박스 뚜껑에 손 선풍기 모양과 ㄱ자 파이프 모양으로 선을 그린다.

➌ 선을 따라 칼로 깔끔하게 구멍을 뚫는다.

➍ 구멍에 날개가 아래쪽으로 향하도록 선풍기를 끼우고, ㄱ자 파이프도 끼운다.

➎ 아이스박스 안에 얼린 아이스팩을 넣는다.

➏ 뚜껑을 덮은 다음 선풍기를 켜고 시원한 바람을 느낀다.

➔ 결과: 선풍기 바람이 시원하게 변했다!

꽁꽁 언 아이스팩을 실온에 두면 안에 들어 있는 물이나 젤이 얼음과 같은 고체 상태에서 서서히 녹아 액체로 변해요. 고체가 액체로 변할 때, 주변의 열을 흡수해요. 이로 인해 아이스팩 주변 공기 속 수증기는 열을 잃고 아이스팩 표면에 물방울로 맺히게 되지요. 선풍기 바람은 아이스팩 표면의 물을 증발시켜 기체로 만들고, 이 과정에서 또다시 주위의 열을 빼앗아요. 이렇게 차가워진 공기가 파이프를 따라 아이스박스 바깥으로 나오기 때문에 시원한 바람을 느낄 수 있어요. 

이처럼 고체·액체·기체 등 물질의 상태는 온도나 압력 등에 따라 서로 바뀌어요. 이것을 ‘상전이’라고 해요. 상전이 과정에서 물질은 주변의 열을 흡수하거나 방출해요. 에어컨도 이 원리를 이용하지요. 에어컨 안에선 냉매라는 물질이 기체 상태에서 온도와 압력의 변화로 인해 액체가 돼요. 이 액체가 기체로 증발하면서 실내 공기의 열을 흡수해 공기를 차갑게 만들고, 팬을 통해 차가운 공기가 배출돼요. 기체가 된 냉매는 응축기를 통해 열을 방출하면서 액체 상태로 돌아갑니다. 에어컨은 이 방법으로 계속 찬 바람을 만들어 내지만, 만일 냉매가 대기 중에 새어 나가면 지구 온난화를 일으키는 온실가스가 될 수 있습니다.

에어컨을 쐴 수 없는 바깥에선 어떻게 더위를 피할까요? 한 연구팀이 입기만 해도 시원해질 수 있는 천을 개발했어요.

▲GIB

1 분필의 주성분인 탄산칼슘 등을 바른 흰 폴리에스테르 천

▲Evan D. Patamia

2 평범한 흰색 폴리에스테르 천. 1이 2보다 빛을 더 반사해서 밝은 흰색을 띤다.

바깥에서 햇빛을 받으면 피부나 옷이 햇빛을 흡수해 열기가 느껴져요. 그동안 햇빛을 흡수하지 않고 반사하는 특수 옷감들이 개발됐지만, 재료의 값이 비싸거나 환경에 좋지 않은 물질이 들어간다는 단점이 있었어요. 2024년 8월, 미국 매사추세츠 애머스트대학교 연구팀은 자연에서 쉽게 구할 수 있는 탄산칼슘과 황산바륨을 얇게 펴 발라 뜨거운 햇빛을 반사하는 천을 개발했어요.

연구팀은 일상복에 흔히 쓰는 합성섬유인 폴리에스테르 천에 묽은 용액 형태의 탄산칼슘과 황산바륨을 번갈아 얇게 발랐어요.. 탄산칼슘은 석회암과 분필의 주성분으로 빛을 잘 반사하는 성질이 있어요. 옛 사람들은 햇빛이 강하게 드는 집을 시원하게 하려고 벽에 탄산칼슘이 든 석회 혼합물을 바르기도 했어요. 황산바륨은 중정석이라는 광물에서 얻을 수 있는 물질로, 햇빛을 잘 반사해 새하얀 페인트를 만드는 데 쓰여요. 두 물질은 피부에 닿아도 안전하고 환경을 해치지 않아요. 값도 저렴하지요. 

연구팀이 약 32°C에서 실험한 결과, 탄산칼슘과 황산바륨으로 코팅한 천으로 덮은 부분의 온도는 보통의 천보다 최대 8°C 더 낮았어요. 아스팔트가 깔린 주차장, 콘크리트 광장 등 다양한 환경에서도 주변 온도보다 평균 0.8~3.4°C까지 더 낮추는 효과를 확인했지요. 이 성능은 천을 세탁한 뒤에도 유지됐어요. 

연구를 이끈 매사추세츠 애머스트대학교 에반 파타미아 연구원은 “이 기술로 시중에 판매되는 거의 모든 원단을 시원한 제품으로 만들 수 있다”고 말했어요. 또 “전기를 쓰지 않고도 열기를 줄일 수 있어, 극도로 더운 환경에서 시원하게 지내는 데 도움이 될 것”이라고 덧붙였어요.

실험 하나 더!
5분이면 돼! 음료수 차갑게 식히기

이런! 냉장고에 넣는 걸 깜빡한 음료수가 미지근해졌어요. 하지만 섭섭박사님은 당황하지 않았어요. 얼음물과 소금만 있으면 금세 시원한 음료를 마실 수 있거든요.

<준비물>
미지근한 음료, 얼음, 물, 소금

➊ 미지근한 음료를 준비한다.

➋ 얼음을 용기에 담는다.

➌ 얼음에 물을 부어 얼음물을 만든다.

➍ 얼음물에 소금을 넣고 녹인다.

➎ 음료를 담그고 5~10분간 기다린다.

➏ 시원해진 음료를 마신다.

➔ 결과: 짧은 시간 안에 음료가 시원해졌다!

보통의 얼음물보다 소금을 넣은 얼음물에 담근 음료가 더 빠르게 시원해져요. 이는 소금이 얼음물의 어는점을 내리기 때문이에요. 어는점은 어떤 물질이 액체에서 고체로 완전히 얼어붙는 온도를 말해요. 

순수한 물은 0℃에서 얼지만, 소금이 섞이면 더 낮은 온도까지 내려가야 얼 수 있어요. 얼음이 되려면 물 분자들이 규칙적으로 배열해서 고체 구조를 이뤄야 해요. 그런데 소금을 뿌리면, 소금이 녹으면서 만들어진 나트륨 이온과 염화 이온이 물 분자의 사이사이에 끼어들어 얼음이 유지되는 것을 방해하지요. 겨울철 길에 눈이 얼어붙는 걸 막기 위해 염화 이온이 포함된 염화칼슘을 뿌리는 것도 이 때문이에요. 
결국 소금이 섞인 얼음물의 얼음은 소금이 없을 때보다 빨리 녹으면서 음료의 열을 빼앗게 돼요. 소금을 추가하면 음료를 더욱 빠르게 식힐 수 있답니다.