[김범준의 옆집물리학] 겨울 외투가 두껍고 어두운 까닭

겨울이다. 두꺼운 외투로 무장하고 집을 나서니 코끝 쨍한 아침 공기가 나를 맞는다. 밤새 소복이 쌓인 눈을 뭉쳐 시린 손은 따뜻한 편의점 캔커피로 녹인다. 뜨겁고 차가운 것이 어떤 것인지 우리는 몸으로 잘 알지만, 도대체 온도가 높고 낮은 것이 물질의 어떤 객관적인 특성에서 비롯하는지를 알게 된 것은 인류의 역사에서 그리 오래전 일이 아니다. 태양이 아니라 지구가 움직인다는 것을 알아낸 뒤로도 거의 200년이 더 지난 다음이다. 인류는 천체의 움직임을 상당한 정확도로 예측했지만, 눈의 차가움과 커피의 따뜻함의 차이가 도대체 무엇인지는 오랫동안 몰랐다. 어쩌면 직관적 감각의 명확함이 물어야 할 질문을 떠올리는 것을 오히려 방해한 것일지도 모르겠다. 어쩌면 우리는 당연한 것도, 아니 오히려 당연할수록, 더 끈질기게 물어야 하는 것일지도 모르겠다.

이제 우리는 온도가 더 높은 물체 안에서 물체를 구성하는 분자들이 더 활발히 이리저리 움직인다는 것을 잘 알고 있다. 물체가 뜨거울수록 그 안 분자들이 더 큰 운동에너지를 가진다. 그렇다면 온도가 다른 두 물체가 만나면 어떤 일이 생길지도 쉽게 짐작할 수 있다. 당구채로 치면 당구공이 움직여 멈춰 있는 다른 당구공과 충돌한다. 빨랐던 당구공은 충돌 후 느려지고 멈춰 있던 당구공은 빠르게 움직이기 시작한다. 마찬가지다. 뜨거운 물체에서 빠르게 움직이던 분자가 차가운 쪽 느린 분자를 만나면, 자기가 가진 운동에너지를 전달한다. 두 물체의 접촉면에서 분자들의 충돌이 이어지면 빨랐던 분자는 느려지고 느렸던 분자는 빨라져 결국 양쪽 분자들의 평균 운동에너지가 같아진다. 분자들의 충돌로 온도가 높았던 쪽의 운동에너지가 온도가 낮았던 쪽으로 전달되는 것이 바로 열이 전달되는 열전도의 과정이다. 뜨거운 물체의 온도는 내려가고 차가운 물체의 온도는 올라가 결국 양쪽 온도가 같아지는 열평형 상태에 도달하게 된다.

추운 겨울, 온도가 낮은 대기와 내 몸 밖 피부가 직접 맞닿으면 내 체온은 점점 내려간다. 온도가 다른 두 물체 사이의 열전도가 얼마나 빨리 진행되는지는 물체마다 다르다. 손가락을 대면 늘 차갑게 느껴지는 금속은 열의 전도가 정말 빠른 물질이다. 한편 열전도가 느린 대표적 물질이 공기다. 외투가 두꺼운 이유는 그래야 외투 안에 들어 있는 공기가 많기 때문이다. 겨울철 솜이불, 가볍고도 빵빵한 오리털 파카의 작동원리다. 얇은 옷을 여러 겹 껴입어도 보온에 도움이 된다. 옷 사이의 공기층이 열의 전도를 잘 막아주기 때문이다. 겨울날 두꺼운 외투와 장갑은 내 몸 분자들이 찬 대기의 분자와 직접 충돌해 빠르게 운동에너지가 줄어드는 것을 그 안 공기층으로 막는 고마운 장비다.

열전도와 달리, 두 물체가 직접 닿지 않아도 열이 전달될 수 있다. 바로 전자기파 복사에 의한 열의 전달이다. 태양에서 출발한 전자기파는 주로 우리 눈에 보이는 가시광선 영역의 파장대에서 큰 에너지를 가지고 있다. 전자기파는 파도와 지진, 그리고 소리와 같은 파동이지만 다른 점이 있다. 소리는 공기가 있어야, 파도는 물이 있어야, 그리고 지진은 말 그대로 땅이 있어야 전달되지만, 태양에서 출발한 전자기파는 어떤 매질도 필요하지 않다. 전자기파를 구성하는 전기장과 자기장은 서로 짝을 이뤄 상대방을 유도해 만들어낸다. 전자기파는 전기장과 자기장이 짝을 지어 함께 추는 춤인 셈이다.

텅 빈 우주공간을 가로질러 태양이 지구에 보내주는 고마운 전자기파는 지구 위 모든 물체에 고르게 입사하지만, 전자기파를 흡수하는 정도는 물체마다 다르다. 푸른 나뭇잎은 푸른색에 해당하는 파장의 전자기파는 반사하고 다른 파장의 전자기파는 흡수해 푸르고, 빨간 단풍잎은 빨간색 전자기파를 반사하고 다른 파장의 전자기파는 흡수해 붉다. 한편, 고르게 여러 파장의 전자기파를 흡수하는 물체는 반사가 적어 우리 눈에 검은색으로 보인다. 자, 이제 두꺼운 겨울 외투의 색이 대부분 어두운 이유를 이해할 수 있다. 검은색 외투가 더 많은 태양 복사 에너지를 흡수해서 체온을 높이는 데 더 유리하기 때문이다. 겨울철 외투의 어두운색으로 우리는 더 많은 태양 복사 에너지를 흡수하고, 더 많은 공기를 머금은 두꺼운 외투로 우리는 체온이 내려가는 것을 막는다. 어두운색 두꺼운 겨울 외투는 복사와 전도라는 물리학의 두 열전달 방식을 이용한다. 두꺼운 외투로 전도를 막고 어두운 외투로 더 많은 복사를 흡수한다.

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