열의 대류(對流) 현상은 왜 일어나는가?

SCIENCE WAVE

 

 

“열(열에너지)은 전도(傳導 conduction), 방사(放射 radiation), 대류(對流 convection) 3가지 물리현상에 의해 한 곳에서 다른 곳으로 이동한다.” 초등학교 과학 시간에 배우는 상식이다. 대류라는 물리현상이 일어나지 않는다면, 지구는 너무 춥거나 더울 것이며, 겨울철에 난방기에서 멀리 떨어진 자리에 앉은 학생은 몹시 떨어야 할 것이다.

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냄비에 물을 담고 끓이면, 열원(熱源 불꽃)에 가까운 냄비 바닥의 물 분자가 먼저 뜨거워져(열에너지를 얻어) 위로 이동하게 되고, 그 자리는 옆에 있던 물 분자가 놓이게 된다. 그리고 다시 비게 된 자리는 바로 위에 있던 물 분자가 채우게 된다. 이러한 과정이 연속적으로 일어나면서 냄비 속의 물은 전체가 같은 온도로 데워진다. 교실 한 곳에 피운 난로의 열이 전체로 퍼지는 것도 같은 이유이다.

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냄비 바닥의 물 분자가 열에너지를 얻자마자 위로 이동하는 이유는 무엇인가? 모든 물질의 분자는 에너지를 많이 가질수록 운동(진동)을 더 심하게 하게 된다. 이것은 열에너지가 운동에너지로 변하여 분자를 진동하게 만든 결과이다. 운동을 심하게 하는 물의 분자는 주변의 다른 물 분자보다 부피가 커져 가벼워지게 되고, 그 분자는 부력 현상 때문에 위로 올라간다.

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위로 상승하는 동안, 물 분자는 가지고 있던 열에너지의 일부를 주변의 다른 차가운 분자들에게 전달하게 되고, 자신의 온도(열어네지)는 점점 내력간다. 열이 떨어진 물 분자는 다시 무거운(밀도가 높은) 분자가 되어 아래로 내려갔다가, 재가열되어 위로 올라간다. 이런 현상이 반복되는 것이 대류이다.

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물 분자가 열에너지를 얻고 또 상실하는 과정이 되풀이되면서 냄비 안의 물은 전체가 같은 정도의 에너지를 갖게 되는 것이다. 이런 대류 현상은 액체와 기체에서만 일어나고, 고체에서는 나타나지 않는다.

 

 

 

열은 전도, 방사, 대류 3가지 물리현상에 의해 전달된다.

 

 

 

태양(열)에너지의 방사와 전도, 대류에 의해 기상변화가 일어난다.

 

 

 

방열기(radiator)에서 데워진 공기 분자는 가볍기 때문에 위로 올라간다. 천정에서 식은 공기는 무거워져 다시 내려온다. ​

 

 

 

남극과 북극의 바다(pole)에서는 냉수가 아래로 내려가 심해에서 열대 바다로 이동한다. 열대바다(equater) 표면의 따뜻한 물은 남북극으로 이동한다. 대양에서 일어나는 이러한 바다의 대류에 의해 지구 전체가 비교적 온화하도록 조절된다. 대류가 없다면 남북극에 가까운 바다는 너무 차고, 열대 바다는 생명체들이 살기 어렵도록 지나치게 데워질 것이다. 해저의 물이 위로 올라갈 때는 염분까지 운반하여 해양 전체의 염분 농도를 고르게 해준다.

 

대류는 지구에 사는 모든 생명체의 생존에 다행스러운 물리현상이다. 지구상의 기상현상은 대류 때문에 일어나고 있고, 바다의 해류 또한 대류가 원인이다. 지하 깊은 곳에 액체 상태로 녹아있는 용암에서도 대류가 일어나기 때문에 지각(地殼) 전체가 움직이기도(대륙이동) 하고, 곳곳에서 지진과 화산 폭발이 발생한다. - YS

 

 

전자렌지 안에서 갑자기 불꽃이 튀고 큰 소리가 나는 이유