[소년중앙] 보온병 원리 궁금하다면 솜이불 떠올려봐

‘과학, 실험, 으악 따분해!’라고 느낀 적 있나요. 이제 걱정하지 말아요. 소년중앙이 집에서 준비할 수 있는 물건으로 재미있는 실험을 시작합니다. 초등학교 과학 연구 교사 모임 아꿈선(www.아꿈선.com)과 함께하는 소꿈연구실이에요. 소꿈연구실에서 가벼운 실험을 하나씩 성공하다 보면 과학과 친해질 수 있을 거예요. 차근차근 따라 해 보고, 소년중앙 홈페이지(sojoong.joins.com)에 인증도 해봅시다.

━
온도를 유지하라, 간이 보온병(保溫甁) 만들기 (5학년 1학기 1단원 1차시)

1. 준비물

소년중앙

① 크기가 다른 용기 두 개, 열이 잘 이동하지 못하는 재료(수수깡·스티로폼·솜 등), 알루미늄 포일(aluminium foil), 따뜻한 물, 알코올 온도계

2. 실험과정

소년중앙

① 나만의 간이 보온병을 설계합시다. 어떤 재료를 사용해 간이 보온병을 만들지 생각하고 구조를 그리는 거예요.

소년중앙

② 준비한 재료 각각의 역할을 살핍시다. 그릇의 뚜껑은 열이 빠져나가지 못하게 막는 역할입니다.

소년중앙

③ 알루미늄 포일은 벽을 감싸 열의 이동을 차단합니다.

소년중앙

④ 수수깡·스티로폼·솜은 열의 이동을 막는 역할을 합니다.

소년중앙

⑤ 물을 담은 작은 병의 겉부분을 열의 이동을 차단하기 위해 알루미늄 포일로 감쌉니다.

소년중앙

⑥ 큰 병에 작은 병을 넣습니다.

소년중앙

⑦ 작은 병과 큰 병 사이에 열이 잘 이동하지 못하는 재료를 채웁니다.

소년중앙

⑧ 완성한 간이 보온병에 따뜻한 물을 담고 알코올 온도계로 온도를 측정합니다.

소년중앙

⑨ 일정 시간이 지난 후 물의 온도 변화를 확인합니다. 온도 변화가 가장 적은 간이 보온병이 성공한 거예요.

3. 오늘의 개념: 열에너지 원리와 온도 유지
온도란 물체의 차고 뜨거운 정도를 숫자로 나타낸 물리량(물질의 성질·상태를 나타내는 양)을 말합니다. 우리가 생활에서 주로 사용하는 온도의 단위는 ℃(섭씨도)예요. 실험을 통해 만든 보온병은 온도가 높은 물질, 낮은 물질 모두의 온도를 유지시킬 수 있는 장치죠.

-왜 보온병은 열이 유지될까?
이걸 알려면 열에너지 원리부터 알아야 해요. 열에너지는 많은 곳에서 적은 곳으로 이동하죠. 각 위치가 가진 에너지가 같아질 때까지요. 보온병은 이 이동을 막아 온도가 그대로 있게 합니다. 따뜻한 것은 따뜻하게, 차가운 것은 차갑게 유지하도록 돕죠. 간이 보온병도 이 역할을 해내는 게 관건이에요. 우리는 수수깡·스티로폼·솜 등을 이용해서 열에너지 이동을 막을 거예요. 겨울에 솜이불을 덮어 내 몸의 온도가 바깥의 차가운 온도와 다른 게 유지되도록 돕는 것과 같은 원리입니다. 다른 방법도 있어요. 실험에서 알루미늄 포일을 썼죠. 포일로 열에너지를 가두는 겁니다. 거울이 빛을 반사하듯 열에너지를 튕겨내 이동할 수 없죠. 보온병 외부 원리를 알았으니 관건은 내용물을 담는 겁니다. 내용물을 담을 때 고체가 필요한데, 이때 열전도율이 낮은 유리·플라스틱을 사용하는 거예요. 실험에서 사용한 작은 병이 이 역할을 하죠.

-조선의 냉장고, ‘석빙고(石氷庫)’의 과학
현대의 냉장고처럼 옛날에도 냉장고 역할을 하는 장치가 있었을까요. 정답은 '그렇다'예요. 바로 ‘석빙고(石氷庫)’입니다. 전기와 기계 장치 없이 자연물을 이용해 음식물 등을 차갑게 보관한 냉동 창고죠. 신라·고구려·백제 3국의 유사를 모은 『삼국유사』(三國遺事, 역사서)와 『삼국사기』(三國史記) '신라 본기'에 석빙고가 등장해요. 신라 제3대 유리왕(상세 연월 없음), 지증왕 6년 11월에 얼음을 보관하려는 용도로 쓰였다고 하죠. 얼음을 관리하는 빙고전(氷庫典)이라는 관아도 있을 만큼 그 시대 얼음은 귀했습니다. 석빙고 지붕은 이중 구조인데, 바깥은 단열 효과가 높은 진흙, 안은 열전달이 잘되는 화강암으로 만들었죠. 천장은 아치형으로 다섯 개의 기둥에 장대석이 걸쳐 있고 장대석이 걸친 곳에는 밖으로 통하는 환기 구멍이 세 개 있어요. 이 구멍으로 바깥에서 바람이 불 때 빙실 안의 복사열로 데워진 공기와 바깥의 더운 공기가 지붕으로 잘 빠져나오고, 빙실 아래의 찬 공기는 오랫동안 머물러요.

-더운 날씨 여행 필수품, 아이스박스(ice box)
여행 갈 때 혹은 장시간 이동할 때 차가운 걸 보관하기 위해 쓰는 물건이 있죠. 아이스박스입니다. 보온병처럼 음식물 등의 온도를 유지하는 역할을 하죠. 용기의 이중으로 된 외·내벽 모두 플라스틱으로 만드는데, 벽 사이의 단열재로 발포 스티롤(styrol)을 써요. 또한 아이스박스는 음식물이나 물체의 온도를 낮게 유지하기 위해 얼음·드라이아이스 등을 넣습니다. 온도 유지 시간은 15ℓ에서 얼음 2㎏을 넣는다면 24시간, 3.5㎏을 넣으면 48시간 냉장할 수 있죠.

정리=강민혜 기자 kang.minhye@joongang.co.kr, 도움말=김선왕 아꿈선 영상팀장