구술면접-열역학의 법칙

뜨거운 선풍기? 시원한 선풍기! - 열역학 법칙

더운 여름에 시원한 선풍기 바람을 맞으며 열역학 공부를 하던 바람이는 문득 선풍기에는 어떤 열역학적 원리가 숨어있을까 궁금해졌다. 다음 문제를 풀면서 열역학을 공부해보자.

 

1) 밀폐된 공간에서 선풍기를 장시간 틀어놓으면 실내의 온도가 약간 상승한다. 선풍기가 동작할 때 열에너지를 발생시키는 요인들을 찾고, 다른 형태의 에너지손실은 없는지 찾아봐라.

 

2) 선풍기의 날개를 떼고 전동기의 축을 곧바로 발전기에 연결한 후 선풍기를 작동시키면 전동기에서 발전기가 선풍기를 돌릴 수 있는 전력이 재생산되는지 생각해보고 열역학 제1법칙과 제2법칙에 입각해서 설명하라.

 

3) 외부와의 열 교환이 없는 밀폐된 방안에서 선풍기는 오히려 열을 발생시킴에도 불구하고 바람이가 시원함을 느끼는 이유를 설명하고, 이것이 열역학 제1법칙에 위배되는지 생각해봐라. 

 

 

 

 

예시답안

  

 

 

1) 선풍기의 내부를 대략적으로 살펴보면 오른쪽과 같습니다. 선풍기에서는 외부에서 공급된 전류가 회로를 거쳐 코일에 흘러 영구자석으로부터 회전력을 받아 날개를 회전시킵니다. 이때 열역학 제2법칙인 엔트로피 증가법칙에 따라 에너지의 일부는 비가역적으로 다른 형태의 에너지로 변환되는데 대부분은 열에너지로 변환됩니다. 즉 도선이나 선풍기 내부의 전기회로에 존재하는 저항에서 열이 발생합니다. 그리고 전기에너지가 역학적에너지로 바뀐 뒤 전동기의 축이 회전할 때 지지대와의 마찰에 의해 열이 발생하고, 선풍기 날개가 회전할 때도 공기와 마찰을 일으키므로 역시 열이 발생합니다. 물론 열에너지 외에도 교류전류는 외부로 전자기파를 방출시키므로 이것도 에너지 손실에 기여합니다. 특히 전동기의 핵심부품인 코일에서는 다량의 자기장을 만들어내므로 이로 인한 에너지 손실도 간과할 수 없습니다

 

 

2) 이상적인 경우라면 열역학 제1법칙인 에너지 보존법칙에 따라 선풍기에 공급된 전기에너지가 역학적에너지에 해당하는 전동기의 회전운동으로 바뀌고 그 역학적에너지를 다시 전기에너지로 전환해도 총 에너지는 보존돼야 합니다. 그러나 1)번 문제에서 살펴본 것처럼 실제로 엔트로피 증가법칙에 의해 에너지가 전환될 때 비가역적인 에너지 손실이 발생하므로 1백%의 효율을 기대할 수 없습니다. 그러므로 선풍기의 전동기를 이용해 다시 발전을 해도 처음에 선풍기에 넣어준 전력을 회수하기는 불가능합니다. 참고로 휘발유를 태워 엔진을 구동하는 자동차의 경우 회전력의 일부를 전기에너지로 바꿔 배터리에 저장합니다. 그러나 자동차 내의 에어컨 가동을 위해서는 냉매를 압축시키는 압축기의 모터를 구동시켜야 하는데 이때는 엔진의 회전력으로 직접 모터를 구동시킵니다. 왜냐하면 에너지의 형태를 변환시키는 횟수를 줄여 에너지 손실을 줄이기 위함입니다.

 

 

3) 선풍기를 밀폐된 공간에 계속 켜놓으면 분명 실내온도는 증가합니다. 외부로부터는 전력이 계속 공급되지만 외부로 빠져나가는 에너지는 없고, 선풍기는 지속적으로 저항열과 마찰열을 발생시키기 때문입니다. 그럼에도 불구하고 선풍기 바람이 시원하게 느껴지는 이유는 피부에 있던 수분이 바람에 의해 증발하면서 피부의 열을 빼앗기 때문입니다. 즉 피부의 온도가 내려가서 신체의 열에너지는 감소했지만, 그 에너지는 수분이 기화하는데 쓰인 것이므로 전체 에너지는 보존되고 열역학 제1법칙에 위배되지 않습니다.

 

 

 

출처 : 과학동아