포스테키안

2022 여름호 / 공대생이 보는 세상

2022-07-15 141

폭염

Heat wave

 

청량하고 푸릇한 계절 여름이 무시무시한 폭염과 함께 돌아왔습니다! 더위를 이기는 데 필요한 에어컨, 아이스크림 이야기부터 열대야 속 숙면을 위한 수면 스위치 체온 이야기까지! 포스테키안이 바라보는 폭염에 대해 알아볼까요?

<물리학과>

무은재학부 22학번 28기 알리미 박규은

이제 여름이라 그런지 너무 덥다. 슬슬 에어컨 켜야겠다! 어? 이 에어컨에서는 바람이 나오지 않네? 어떻게 바람 없이도 시원해질 수 있는 거지? 무풍 에어컨에는 코안다 효과가 이용돼! 코안다 효과를 설명하기에 앞서서 먼저 유체역학의 기본적인 법칙인 베르누이 정리에 관해서 설명할게. 우선 유체는 자유롭게 흐를 수 있는 액체와 기체를 이르는 말이야. 우리를 시원하게 만들어주는 바람도 유체에 포함되지. 베르누이 정리는 흐르는 유체에 대해서 전체 에너지의 합은 일정하다는 법칙이야. 쉽게 말하자면 에너지 보존 법칙의 유체 편이라고 할 수 있어. 롤러코스터의 중력 퍼텐셜 에너지가 줄어들면 에너지 보존 법칙에 의해서 속력이 빨라지는 것처럼 유체의 속력도 압력이 줄어들면 커지게 돼. 이제 우리가 빠르게 공기를 분사한다고 생각해 보자. 그럼 속력이 빠른 유체에 의해서 저기압이 형성될 거고 흐르는 유체 주변의 공기는 상대적으로 높은 압력을 갖게 돼. 그럼 우리가 분사시킨 공기는 위아래로 높은 압력을 받아 직선으로 흐르게 되겠지. 이때 한쪽에 벽이 생긴다면 어떻게 될까?

그림처럼 아래에 벽면이 생긴다면 위쪽에서는 계속해서 압력을 받지만, 아래쪽에서 받는 압력은 사라지게 되고 유체는 벽면을 따라 강하게 흐르게 돼. 이렇게 빠르게 흐르는 유체가 단단하고 휘어진 고체 표면을 흐를 때 곡면을 따라가는 현상이 바로 코안다 효과야! 에어컨에서는 공기를 모아 강한 힘으로 냉각시킨 금속을 따라 흐르게 해. 그럼 코안다 효과에 의해 공기가 차가운 금속판을 통해 빠르게 흐르게 되고 이 과정에서 유체가 금속판과 부딪히면서 냉각돼. 차가워진 공기를 무수히 많은 자그마한 구멍으로 방출시키면서 주변을 시원하게 만드는 거지! 이때 미세한 바람이 나오지만 거의 느껴지지 않으니까 무풍이라고 부르고 있어. 하암~ 에어컨 때문에 선선해지니 슬슬 눈이 감기네. 그럼 난 이제 자러 갈게! 안녕~

[그림] Diagrams illustrating mechanism responsible for the Coanda effect

https://en.wikipedia.org/wiki/Coand%C4%83_effect

 

< 산업경영공학과>

무은재학부 22학번 28기 알리미 박기현

오늘같이 더운 날, 온종일 에어컨을 틀고 싶은데 엄마가 전기세가 많이 나온다고 안 된다고 하셔. 마음 편히 에어컨도 틀고, 전기세도 아낄 수는 없는 걸까? 짧은 시간 동안 껐다 켰다 하는 것보다 쭉 틀어 두는 것이 더 효율적인 에어컨이 있는데, 바로 인버터 에어컨이야! 그럼 인버터 에어컨에 대해 알려줄게! 흔히 에어컨은 정속형 에어컨과 인버터 에어컨 두 종류로 나뉘는데, 두 에어컨은 작동 방식에서 차이를 보여. 정속형 에어컨은 원하는 적정 온도에 도달하면 작동을 멈추고, 실내 온도가 올라가면 다시 작동하는 방식이야. 따라서 전원을 껐다 켰다 하는 과정에서 아래의 사진처럼 불필요한 전기가 소모되지. 하지만 인버터 에어컨은 시간이 지나 적정 온도에 도달하면, 적정 온도를 유지할 정도의 전력만을 소모해서 낭비되는 전력을 아낄 수 있어.

그럼 어떤 원리로 작용하는지 자세히 알아볼까? 우선, 컨버터는 교류 전력을 직류 전력으로, 인버터는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 장치야. 이러한 컨버터와 인버터를 포함한 에어컨을 인버터 에어컨이라고 부르지. 인버터는 내부 반도체 소자가 ON/OFF 되는 주기를 조절하여 주파수를 바꿀 수 있어.

전동기의 회전수 N은 위의 식을 만족하는데, 이 식에서 f는 주파수, P는 극수, s는 전동기의 미끄러짐을 뜻해. 인버터를 통해 주파수를 바꿀 수 있고, 최종적으로 전동기의 회전수를 조절하여 회전 속도를 제어할 수 있지. 이런 원리로 인버터 에어컨은 압축기의 회전 속도를 제어해 전력 소모 최적화가 가능해. 적정 온도에 도달하기 위해서는 압축기의 속도를 높이고, 도달한 이후에는 속도를 줄여 실내 온도가 올라가지 않을 정도로만 전력을 유지하도록 하는 것이지. 인버터 에어컨을 사용하면 기존의 에어컨보다 전력 소모량을 최대 30% 정도 감소시킬 수 있다고 하니, 마음껏 온종일 에어컨을 틀 수 있겠지?

 

[참고자료]

1.남시도, 「인버터의 원리와 특징」, 『고경력과학기술인』, 2004.11.23.

  https://www.reseat.or.kr/portal/bbs/B0000261/view.do?nttId=160234&menuNo=200019&optn18=&searchCnd=1&searchWrd=ì¸ë²í°&pageIndex=4

2.월간 모션컨트롤 편집부, 「기획연재 ① 인버터 주요 특성 및 기능」, 『월간 모션컨트롤(Motion Control)』, 2016.11. https://www.motioncontrol.co.kr/default/news/?nwsid=n3&uid=10358

[그림] LS ELECTRIC, 「에어컨부터 스마트 팩토리까지! 인버터 역할과 원리」, 『LS ELECTRIC 공식블로그』, 2022.04.29. https://blog.naver.com/ls-electric/222715345535

 

< 생명과학과>

무은재학부 21학번 27기 알리미 하태혁

잠 좀 자자, 잠 좀 자! 요즘 날씨가 너무 더워서 그런지 밤이 돼도 잠이 오질 않네. 기온이랑 잠에 어떤 관련이라도 있는 걸까? 체온은 우리 몸의 수면 스위치라고 볼 수 있어. 잠들기 전에 손발이 뜨겁게 붉어지거나 자고 일어났을 때 식은땀이 나서 쌀쌀했던 그런 경험 있지? 이건 자고 있을 때의 체온이 평소보다 0.3℃ 낮아지면서 몸의 열을 피부에서 배출하기 때문이야. 근육, 장기, 뇌 등 몸 깊숙한 곳의 온도를 심부 체온Core Body Temperature이라고 부르는데, 바로 이 온도를 낮추기 위해 피부를 통해 열을 발산하고 그 결과로 강한 졸음이 와서 잠을 자게 돼. 심부 체온은 일반적으로 저녁 8시에 올랐다가 밤 11시부터 감소해서 새벽 5시에 가장 낮아지기 때문에, 많은 사람이 이 사이 시간에 잠을 자.

그리고 아침에 잠에서 깨고 심부 체온이 다시 오르면 졸음에서 깨는 거지. 의외로 오후 3시에도 심부 체온이 한번 내려가는데 이때도 우리가 나른함을 느껴. 점심을 먹고 나면 오는 식곤증이 사실은 우리 몸의 체온 스위치 때문이었던 거지~ 열대야처럼 밤에도 높은 기온 탓에 심부 체온이 잘 낮아지지 않는다면 의도적으로 심부 체온을 낮출 수 있어. 심부 체온을 의도적으로 상승시키면 이후에 더 큰 폭으로 떨어지기 때문에, 잠이 들기 90분 전에 따뜻한 물에 몸을 담그는 반신욕을 하면서 체온을 높인 뒤, 한 번에 떨어뜨리면 심부체온을 낮추기 쉽겠지. 반신욕이 어렵다면 간단한 족욕도 효과적이야. 특히 손과 발에는 모세혈관이 많기 때문에 족욕으로 혈액 순환을 빠르게 하고 열을 발산한다면 금방 편하게 잠을 잘 수 있을 거야. 그럼 나는 이제 체온 스위치를 켜서 잠을 자도록 할게! 구독자 여러분 다음에 봐요…ZZZ

[참고자료]

1.손홍석, 「[알면 the 이로운 건강] 16. “잠 좀 자자” 체온이라는 수면 스위치」, 『이로운넷』, 2019.08.16. https://www.eroun.net/news/articleView.html?idxno=7195

2.김시효, 「“체온”과 “뇌”에 있는 수면 스위치를 조절해보세요」, 『일간닥터김시효』, 2022.03.08. https://www.ddrkim.com/news/articleView.html?idxno=393

 

< 화학과>

무은재학부 22학번 28기 알리미 이유리

아 덥다 더워! 이 더위를 날려줄 아이스크림을 하나 먹어볼까? 아~ 역시 이 맛이야! 이 시원하면서도 입안에 사르르 녹는 부드러운 식감… 어떻게 만들어지는 걸까? ‘공기 반 소리 반’ 공식처럼 아이스크림 제조에도 공식이 있는데, 바로 ‘공기 반 재료 반’이야! 아래의 사진에서 볼 수 있듯이 현미경으로 구조를 들여다보면 얼음 결정, 수크로스(설탕), 트라이글리세라이드(유지방), 레시틴(유화제)이 보이고 공기가 부피의 반 정도를 차지하는 걸 알 수 있어.

공기를 많이 포함한 아이스크림이 부드러운 식감을 가지는 이유는 바로 오버런Over-run 현상 때문이야. 아이스크림 제조과정에서 재료를 휘저으면 공기가 들어가고 아이스크림이 부푸는데, 이러한 현상을 오버런이라고 해! 오버런이 100%면 재료량의 100%만큼 부피가 늘어나 절반은 공기이고, 나머지가 유지방, 설탕, 얼음 결정 등으로 구성돼 있다는 뜻이야. 공기가 많이 들어갈수록 부드러운 건 직관적으로 알 수 있는데, 수학적으로는 어떻게 나타낼 수 있을까? 아이스크림이 부드러운 정도는 외부 하중이 가해졌을 때 변형에 저항하는 정도, 즉 침투 깊이DP, Depth of penetration로 나타낼 수 있어. 아이스크림이 부드러울수록 변형에 저항하는 정도가 작아져 침투 깊이가 깊어진다는 뜻이겠지? 아이스크림의 경도에 영향을 미치는 구조적 특징을 통계적으로 분석한 후 침투 깊이에 대한 종합적 효과를 설명하는 선형 회귀 방정식을 구해봤더니, 다음과 같이 주어졌어!

어때, 오버런이 증가할수록 침투 깊이가 깊어진다는 게 보이지? 너무 신기하다! 오버런 20%의 쫀득한 아이스크림도 너무 궁금한데… 하나만 더 먹어야겠다! 이만 안녕~!

 

[참고자료]

1.Muse, M.R., and R.W. Hartel. “Ice Cream Structural Elements That Affect Melting Rate and Hardness.” Journal of Dairy Science 87, no. 1 (2004): 1–10. https://doi.org/10.3168/jds.s0022-0302(04)73135-5.

2.Science and food UCLA. “Homemade Ice Cream.” Accessed June 13, 2022.https://scienceandfooducla.wordpress.com/2013/03/05/homemade-ice-cream/.