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거제인들의 이야기

과학의 법칙으로 이해하는 사회 : 압력의 변화 - 거제대 기계공학과 손호재 교수님

 거제대학교 2023.05.24 09:58 723 교수 칼럼

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시리즈 – 과학의 법칙으로 이해하는 사회

압력의 변화

예전 대학 시절에 MT를 가면 버너와 코펠을 준비해 어렵게 밥을 해먹곤 했다. 요즘은 참 편리해 식당 등에서 해주는 밥을 먹거나 준비된 숙박시설에서 좀 더 쉽게 밥을 해먹는다. 예전 버너가 정감이 있기는 한데 불붙이기가 만만치 않았다. 압력을 높이기 위해 펌프질을 열심히 해야 하고 어느 정도 고압이 되면 밸브를 열어 노즐에서 나온 공기와 연료는 혼합이 되고 그 혼합된 입자가 작은 입자로 쪼개지면서 원활하게 불이 붙을 수 있었다. 하지만 압력이 낮은 산 정상에서 밥을 지어 먹는 것은 밥이 설익게 되어 밥맛은 좀 그랬다. 이렇게 압력의 변화가 물을 끓이는데 중요한 변수가 된다. 압력이 낮으면 물이 100oC에서 끓는 것이 아니라 더 낮은 온도에서 끓게 된다. 이런 현상을 좀 더 자세히 살펴보자.

물방울이 두꺼운 철판을 뚫을 수 있을까?

‘물방울이 바위를 뚫는다’는 이야기를 많이 들었을 것이다. 이는 사소한 것도 지속적으로 하면 그 단단한 바위도 구멍이 생긴다는 것이다. 비슷하면서도 또 다른 이야기를 해보자. 쇠로 만든 선박의 회전하는스크루가 구멍이 생겼다면 무슨 이유일까? 이것도 물방울 때문일까? 물속에서 물방울이 지속적으로 있는 것도 아닌데 그것이 가능할까? 사실관계를 매우 과학적으로 설명가능하다.

회전하는 물체는 속도가 상대적으로 빠른 것이고 속도가 빠르면 압력이 떨어진다. 이것은 베르누이 방정식으로 설명이 된다. 이 방정식을 비행체에 적용해보자. 베르누이 방정식에 따르면 속도와 압력은 반비례 관계로 비행기 날개의 상하 부분의 공기 속도 차이가 압력의 변화를 만들고 그 압력차가 양력을발생시켜 결국 그 큰 비행체를 뜨게 만드는 것이다. 같은 방식으로 회전하는 배의 스크루의 끝단 속도가 주변보다 빨라 압력이 떨어지고 압력이 떨어지면 액체의 증발이 낮은 온도에서 발생해 기포가 생성된다. 그 기포의 생성과 소멸이 같은 장소에서 지속적으로 발생하면서 철의 구멍이 생기게 되는 것이다.이런 압력 때문에 발생하는 유체 현상을 공동현상(Cavitation)이라고 한다.

회전체가 전력을 생산한다!

전력을 만드는 것을 살펴보자. 전기를 만드는 대부분의 방법은 터빈을 돌려 그 회전체가 전력을 생산하게 하는 방법이다. 그 터빈을 돌리는 방법 중 물의 낙차를 이용하면 수력발전이고, 원자력의 힘을 활용하면 원자력 발전이다. 그러나 화석연료를 사용해 물을 데워 증발시키고 그 활동성으로 터빈을 돌리게해 전력을 생산하는 화력발전이 좀 더 일반적이라고 할 수 있다. 보통의 액체인 물은 100oC에서 끓는다. 하지만 어떤 액체가 그것보다 낮은 온도에서 끓을 수만 있으면 그 에너지를 활용하면 좀 더 쉽게전기를 생산할 수 있지 않을까 하는 것이 요즘의 전력생산의 중요한 관심사항이다. 그래서 물 대신 낮은 온도에서 증발하는 액체를 발견하는 것은 매우 중요하다. 해양에서 그 답을 한 번 찾아보자.

해수의 깊이에 따른 온도차가 전력을 생산할 수 있나?

OTEC 그래픽.png

해수 온도차에 의한 에너지를 생산할 수만 있다면 인간은 또 하나의 무한 에너지원을 확보할 수 있게된다. 이런 내용을 영어로 옮기면 Ocean Thermal Energy Conversion(OTEC)이 된다. 해수면 온도가25oC 정도 되며 1000m 심해에서 해수온도가 5oC 정도가 되는 곳을 생각해 보자. OTEC는 그곳에서 심해 물을 해수면으로 끌어올려와 상온에서 어떤 액체를 증발시켜 터빈을 회전시켜 전기 에너지를 쉽게생산하겠다는 내용이다. 우선 상온에서 증발할 수 있게 하기 위해서 극도의 낮은 압력을 만들고 그 낮은 압력에서 어떤 액체를 증발시킨다. 그것이 터빈을 회전하게 만들어 전력을 얻게 되는 시스템이다. 이증발하는 물질로 암모니아 등이 실험실에 사용이 되고 있고 계속해서 새로운 물질을 찾고 있다.

이런 방법을 통해 적은 비용으로 성공만 하면 인간은 매우 중요한 신재생 에너지원을 확보하게 되는 것이다. 미국과 일본은 1970년부터 이 연구를 계속해오고 있고 2013년부터는 실증 연구를 수행하고 있다. 이런 지속적인 투자를 통해 실험실에서 전력 생산하는 실험을 성공하였다. 하지만 아직 해결해야 하는 것들이 많이 남아 있다. 가장 중요한 것은 전력생산 비용을 현실화 하는 것이다. 상용화하기까지는많은 난관이 있겠지만 곧 해결이 될 것으로 판단이 된다. 중요한 것은 시간은 걸리겠지만 늘 새로운 길을 모색하고 찾아 가고 있다는 것이다

새로운 사고 패러다임이 현대 과학 교육을 위해 반드시 필요하다!

이렇게 먼 미래에 있을 것 같은 과학적 내용을 실험을 통해 현실화 하는 것은 과학에 대한 철학과 통찰이 있어야 한다. 우리의 교육도 챗GPT 시대에 맞아 통찰과 철학이 절실히 필요하다. 암기식 교육에서좀 더 창의적인 교육방법으로 전환해야 한다. 이를 위해 교실에서 질문이 항상 자유롭게 일어날 수 있도록 혁신적인 방법을 찾아야 한다. 압력이 낮으면 증발이 빨리 일어나듯이 그 장벽을 낮추면 질문에대한 활성도가 높아질 것이 분명하다. 그래서 교육적 패러다임이 압력을 낮추고 속도라는 활성도를 높이면서 빠른 실패와 빠른 재시도를 장려하는데 방점을 두어야 한다. 낮은 압력이 미래 에너지를 발견하고 쉽게 생산하는 동력원이 되는 것처럼 ...