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[궁금한 S] 여름철 필수품! 선풍기와 에어컨 속 과학원리

[앵커]
과학에 대한 모든 궁금증을 풀어주는 '궁금한 S' 시간입니다. 오늘은 장마 영향으로 습도가 높아서 종일 후덥지근한 날씨가 이어지고 있는데요. 이런 날에는 선풍기나 에어컨 같은 냉방기기를 통해 불쾌지수를 낮춰 주곤 합니다.

이렇게 우리 일상에서 쉽게 만나볼 수 있는 냉방기기 속에는 어떤 과학원리가 숨겨져 있을지 지금 바로 화면으로 만나보시죠.

[이효종 / 과학 유튜버]
안녕하세요! 과학의 모든 궁금증을 해결하는 '궁금한 S'의 이효종입니다. '궁금한 S'와 함께할 오늘의 이야기 만나볼게요.

가만히 있어도 땀이 나고 기운이 쭉쭉 빠지는 계절, 후덥지근한 여름이 다가왔습니다. 여러분들도 무더운 여름, 잘 보내고 계신가요? 그런데 여러분, 오늘날처럼 에어컨디셔너나 선풍기 같은 냉방 장치를 가지고 있지 않았던 과거에도, 더위를 물리치려는 인류의 노력은 아주 오래전부터 이뤄져 왔다고 합니다.

로마제국에서는 알프스의 눈을 궁정으로 가져와 여름을 시원하게 지냈다고 하고요. 조선 시대에도 얼음을 보관하는 서빙고와 동빙고를 설치해 여름에도 얼음을 맛볼 수 있게 했다고 합니다. 그래서 오늘은 우리를 시원하게 만들어주는 대표적인 가전제품 친구들! 선풍기와 에어컨 속에 담겨있는 재미있는 과학원리를 '궁금한 S'와 함께 알아보도록 하겠습니다.

"정 군은 낮부터 계속된 찜통더위를 피해 보려 네 뼘 크기의 거실 소파에 앉아 선풍기를 틀었습니다. 정 군은 비디오를 보다 잠이 들었고, 그사이 밀폐된 거실에서 선풍기는 쉴새 없이 돌아갔습니다. 2시간 뒤인 6시 반쯤 형이 귀가했을 때 정 군은 이미 숨져있었습니다."

한국 사람이라면 누구나 한 번쯤은 들어봤을 법한 이야기입니다. 이 이야기는 일반인들 사이에서 도시 괴담처럼 전해졌지만, 관련 과학지식을 가지고 있는 사람들에게는 터무니없는 이야기로 치부되기도 했어요.

이러한 인식을 개선하기 위해, 물리학자인 임춘택 카이스트 교수는 딸과 직접 선풍기를 틀어놓고 수면을 하는 실험을 진행했습니다. 결과는 어땠을까요? 밤새 바람이 불어도, 선풍기 바람은 사람의 체온을 30도 밑으로 떨어트리지 못했고, 호흡이 불가능할 정도로 바람이 세지 않았기 때문에 이러한 괴담은 결국 미신으로 밝혀졌습니다.

하지만 선풍기 바람을 종일 쐰다면 면역력이 떨어질 수는 있어요. 이는 왜 그런 걸까요?

우리의 몸은 언제나 일정한 온도를 유지하기 위해서 에너지를 사용하고 있어요.

이러한 생명현상의 특성을, 생물학에서는 '항상성 유지'라고 이야기합니다. 체온뿐만 아니라, 우리 몸에 필요한 수많은 생명활동 요소들. 이를테면 수분과 무기물, 혈구의 수, 세포 수, 호르몬 등을 생명체가 살아가는 데 필요한 적정 수준으로 유지할 수 있도록 만들어주는 하나의 생체유지 시스템이에요.

이 시스템의 대부분은 ATP라고 불리는, 우리 몸의 각 조직과 기관을 가동할 수 있도록 만들어주는 연료로서 작동하게 되는데요. 이는 모든 생물의 세포 내에 존재하며 에너지 대사에 중요한 역할을 합니다. 우리의 몸을 외부로부터 지켜내는 Immune System : 면역체계 또한 바로 이 항상성 유지의 일종이기 때문에 ATP가 필요하다는 특징을 가지고 있습니다. 그런데 선풍기 바람을 지속해서 쐬게 되면 피부 표면의 공기들이 계속해서 순환하게 되면서 땀을 증발시키는 역할을 하게 됩니다. 땀이 증발하면서 체온을 지속해서 떨어트리면 우리 몸은 ATP를 이용해 체온을 올리려고 일하게 되는데요. 이 때문에 상대적으로 면역체계는 효율이 떨어질 수밖에 없게 되어서 면역력이 약간 저하될 수 있습니다.

그러니까 선풍기 바람은 적당히 사용하는 것이 좋겠죠?

다음으로, 선풍기보다 훨씬 더 청정하고 시원한 바람을 제공하는 가전제품! 에어컨은 어떤 방식으로 작동하는 것일까요?

에어컨마다 디테일한 부분은 다르지만, 기본적으로 크게 4가지 구조를 가지고 있습니다. 구조를 순서대로 배열해보면, 차가운 기체상태의 냉매를 강한 압력으로 압축시키는 부분인 Compressor, 압축기와 압축되면서 뜨거워진 기체 냉매를 외부의 공기와 접촉해 액체 상태로 만들어주는 Condenser, 응축기, 응축된 액체 상태의 냉매를 급팽창시키는 부분인 팽창 밸브와 팽창된 액체 냉매가 기화하면서 주변의 열을 빼앗아 차갑게 만들어주는 Evaporator, 증발기가 있습니다.

먼저 압축기입니다. 증발기에서 제 역할을 다하고 들어온 기화된 냉매는 압축기에서 전기에너지에 의해 꾹꾹 눌러 담기게 됩니다.

이러한 과정에서 기체의 에너지는 점점 증가하게 되며 자연스럽게 온도와 압력이 증가하게 되죠. 온도와 압력이 오를 대로 오른 기체 냉매를, 압축기는 응축기 쪽으로 방출하게 되며 이때 냉매는 뜨거워진 자신의 열기를 외부의 공기에 전달해주면서 자연스럽게 액화되게 됩니다.

응축기에서 액화가 일어난, 열을 방출한 냉매는 쉴 틈도 없이 팽창 밸브로 향하게 되는데요. 이곳에서는 외부로부터 공급된 전기에너지를 이용해 응축된 냉매를 모세관을 통해 빠르게 방출시키게 됩니다. 이렇게 되면 움직이는 유체를 설명하는 법칙인 '베르누이의 법칙'에 의해서 유체의 압력이 매우 낮아지게 되며 이렇게 압력이 낮아진 냉매는 주변의 열을 쉽게 빼앗아 갈 수 있는 상태가 됩니다. 이러한 상태의 냉매가 외부의 열을 빠르게 흡수하여 기화하는 일이 증발기에서 일어나게 되고, 동시에 증발기 근처의 공기 온도를 떨어트리게 되면서 실내의 온도를 낮추는 것이 에어컨의 냉방의 원리입니다.

이러한 냉방이 진행되는 과정에서 실내에서 마구 돌아다니는 습기, 물 분자는 에어컨 내부의 증발기에서 응결되어 물로 변하게 되고 이 물이 배관을 타고 외부로 방출되는 것이 에어컨의 제습 원리가 되는 것입니다.

정리하자면 에어컨의 작동 원리는 냉매가 '기체 → 액체 → 기체'로 변하는 과정인 셈이죠.

에어컨은 쾌적한 환경을 만든다는 목적 외에도 국제우주정거장이나 고고도 비행체의 기내 대기 상태 유지 등에도 필수적으로 사용되고 있습니다. 하지만 모든 기술이 그러하듯 에어컨 역시 긍정적인 면과 부정적인 면을 동시에 지니고 있습니다.

에어컨의 냉매로 사용되는 성분이 강력한 온실가스가 되어 지구 온난화를 일으킬 수 있다는 점과 도심 속 에어컨의 무분별한 과잉 사용이 열섬 현상을 가속화할 수 있다는 점이 바로 그것들이지요. 이러한 부정적인 효과를 줄이기 위해서라도, 실내 적정온도를 유지해 에너지 과소비를 줄이는 것! 꼭 기억하고 실천하시길 바랄게요.

오늘은 선풍기와 에어컨 속에 담겨있는 과학 원리에 대해 알아봤습니다. 한껏 다가온 무더운 여름! 여러분들도 선풍기와 에어컨으로 시원한 여름 보내시길 바랄게요! 그럼 궁금한 s도 이만 인사드릴게요~

과학에 대한 궁금증이 있다면 언제든 YTN 사이언스 유튜브에 글을 남겨주세요. 이상 '궁금한 S'였습니다!
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