생활과 과학-냉장고, 에어컨의 원리, 냉매의 종류와 조건, 에너지를 많이 소모하는 이유

이번 글에서는
냉장고와 에어컨의 원리에 대하여
이야기해보려 합니다

사실 두 개는 같은 원리입니다
둘 다 안에 있는 열을
밖으로 빼줍니다

과학에서는 냉기라는 개념이 없습니다
열이라는 개념만 존재합니다
열이 하나도 없는 온도는
약 영하 273도입니다
그것보다 높으면
다 열이 있는 상태로 봅니다

그래서 과학에서는 굳이 표현하면
방을 시원하게 한다
->방의 열을 밖으로 뺀다
의 느낌이 강합니다

물론 필자도 방을 시원하게 한다
라고 말합니다^^

글의 순서는
1. 기체의 상태변화와 에너지
2. 냉장고, 에어컨의 원리
3. 냉매, 냉매의 조건
4. 냉방장치가
에너지를 많이 소모하는 이유
입니다

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1. 기체의 상태변화와 에너지

1) 물질의 상태변화
모든 물질은 세 가지 상태를 가집니다
고체, 액체, 기체
입니다

모두 아시다시피
고체에 열을 가하면 액체,
액체에 열을가하면 기체가 됩니다
이런 상태가 변하는 현상을
상태변화라고 합니다

에너지(열)를 받을수록
고체->액체->기체가 된다는 건
에너지는 기체가 가장 높다는 것을 알려줍니다

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2) 상태변화와 에너지
물을 예시로 들겠습니다
물을 끓이면 100℃에서 수증기가 됩니다

이때 신기한 건
100℃라는 온도는
물과 수증기 두 가지 상태가
다 존재할 수 있다는 것입니다

얼음과 물도
0℃에서 얼기도 녹기도 합니다
0℃의 얼음도, 물도 존재합니다

그럼 같은 온도의 두 가지 상태가
서로 바뀌기 위해서는 무엇이 필요할까요?
에너지입니다

100℃의 물과 100℃의 수증기는
에너지가 다릅니다 수증기가 크죠
0℃의 물과 얼음도 마찬가지입니다

우리는 상태변화를 위해 필요한
이 에너지를 숨겨져 있는 열
'잠열'이라고 부릅니다

일상에서 사용하는 열을 옮기는 장치
에너컨 냉장고 등은 잠열을 이용합니다

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2. 냉장고, 에어컨의 원리
내장고와 에어컨은
냉매의 잠열을 이용합니다

냉매는 실온인 약 20℃에서
기체인 물질을 사용합니다

편의상 에어컨과 냉장고를
3 부분으로 나누겠습니다

내부(열흡수, 차가워지는 내부)
압축부(기체를 압축하는 곳)
발열부(열방출, 실외기, 방열판)

냉방의 진행
1) 압축부에서 기체를 압축한다
강한 압력으로 압축되는 기체는
빠르게 압축되어
액체가 됩니다

이 과정에서
많은 열이 발생되고
뜨거운 액체가 됩니다

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2) 발열부에서 열방출
뜨거워진 액체를 외부의 공기와
만나게 하여 열을 외부 온도와
같도록 식혀줍니다

냉장고의 뒤쪽과
에어컨의 실외기가
뜨거운 이유가
압축된 액체를 식히기 위해
방출되는 열 때문입니다

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3) 열흡수(냉각)
실외온도와 비슷해진 액체가
냉장고 내부나 에어컨 실내기로
이동합니다

여기서 액체에 걸린
압력을 풀어버립니다

압력이 풀린 액체는 기체로 바뀌고
온도가 굉장히 낮아집니다

온도가 낮아진 기체가
에어컨의 실내기나
냉장고 내부의 냉각기를
차갑게 만들어주어서
원하는 부분의 냉각이 가능합니다

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3. 냉매, 냉매의 조건

1) 냉매
냉매는 냉각의 원리에서
액체와 기체가 되면서
열을 전달하는 물질을 말합니다

보통 기계의 내부만 순환하기 때문에
실제로 보기는 어려우며
냉각의 효율을 위해
특정한 조건을 가지고 있어야 합니다

가끔 에어컨이 작동해도 시원하지 않을 때
수리기사님들이 냉매가 없어서
냉매를 충전하는 경우도 있습니다

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2) 냉매의 조건
실제로 가장 많이 쓰는 이는 냉매는
프레온가스와 암모니아입니다
(공업용은 다른 걸 씁니다)

냉매가 갖추어야 조건은 굉장히 많지만
위에서 설명한 것과 통하는 몇 가지를
소개해 보려고 합니다

(1) 상온에서 기체인 물질
기체를 압축하여액체로 만들기 때문에
기본 상태는 기체여야 합니다

(2) 응축압력이 낮은 물질
응축압력은
기체에 압력을 가해서
액체를 만들 수 있는 압력입니다
너무 높으면 액체로 만들기가 어렵습니다

(3) 잠열이 큰 물질
냉각의 원리가 잠열을 이용하기에
잠열이 큰 냉매가 효율이 좋습니다

등이 기본적인 냉매의 조건입니다

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이번글에서는
냉장고와 에어컨의 원리를
간단한 과학이론으로
설명드렸습니다

실제 효율을 높이기 위해
여러 공학적 기술이 많이 들어갑니다
이 글에서는 근본적인 요소에 대해
설명드렸습니다

도움이 되셨기를 바랍니다
감사합니다