전기 1kW로 열 4kW를 만든다고? 에너지 보존 법칙 위반 아닌가요?

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겨울에 전기히터 틀면서 전기요금 걱정 해보신 적 있으시죠? 😅

저도 그랬거든요. 근데 어느 날 이런 얘기를 들었어요.

“전기 1kW를 넣으면 열이 4kW가 나오는 기계가 있다”

처음 들었을 때 솔직히 이게 무슨 말인가 싶었어요. 에너지 보존 법칙이라는 게 있잖아요. 에너지는 새로 생기거나 없어지지 않는다는 그 법칙이요. 그러면 1kW 넣었는데 4kW가 나오는 게 말이 되나? 싶은 거죠.

근데 알고 보니 이게 전혀 법칙 위반이 아니더라고요. 오늘 그 얘기 한번 풀어볼게요!

먼저 전기히터는 어떻게 작동할까요?

전기히터는 정말 단순해요.

전기 1kW를 넣으면 딱 1kW만큼의 열이 나와요. 더도 말고 덜도 말고요. 그래서 전기요금이 무섭죠 😂

근데 히트펌프는 달라요. 전기 1kW를 넣었는데 4kW의 열이 나와요.

에너지를 창조한 걸까요? 아니요! 숨어 있던 에너지를 끌어온 거예요.

물 펌프로 이해해보기

이해하기 쉽게 비유를 하나 들어볼게요.

깊은 땅속에 샘물이 있어요. 그걸 끌어올리려고 전기 펌프를 설치했어요. 펌프가 전기 1kW를 써서 수 톤의 물을 지상으로 퍼 올렸다면, 이 펌프가 물을 만들어낸 걸까요?

당연히 아니죠. 이미 땅속에 있던 물을 옮긴 거잖아요.

히트펌프도 똑같아요. 열을 만드는 게 아니라, 어딘가에 이미 있는 열을 끌어오는 기계예요.

그럼 그 열은 어디서 가져오는 걸까요?

놀랍게도 영하의 바깥 공기 속에도 열에너지는 있어요.

절대영도(-273℃)가 아닌 이상, 모든 물질에는 분자 운동으로 인한 열이 존재하거든요. 영하 10℃도 절대온도로는 263K예요. 우리한테는 차갑게 느껴지지만, 물리학적으로는 충분히 열을 품고 있는 거예요.

히트펌프는 그 열을 냉매를 이용해서 빨아들여요.

냉매가 바깥 공기보다 훨씬 낮은 온도로 유지되다 보니, 상대적으로 따뜻한 바깥 공기의 열이 자연스럽게 냉매 쪽으로 넘어오게 되는 거예요. 열은 항상 높은 온도에서 낮은 온도로 흐르는 성질이 있으니까요.

이 과정이 실외기 안에 있는 증발기에서 일어나요. 차가운 액체 냉매가 공기의 열을 흡수하면서 기체로 증발하는 거예요.

그다음은요?

열을 잔뜩 머금은 냉매 기체가 이번엔 압축기로 들어가요.

압축기가 이 기체를 강제로 좁은 공간으로 밀어 넣으면 분자들이 격렬하게 충돌하면서 온도와 압력이 급격하게 올라가요. 이때 냉매 온도가 40~60℃ 이상까지 치솟아요.

이렇게 뜨거워진 냉매가 실내기(응축기)로 들어오면, 이제 실내 공기(약 20℃)보다 훨씬 뜨거운 상태가 되는 거잖아요. 그러면 자연스럽게 열이 실내로 방출되고, 냉매는 다시 액체가 돼서 또 순환을 반복해요.

압축기가 하는 일은 사실 열을 만드는 게 아니라, 온도 차이를 만들어서 열이 실내로 자연스럽게 흘러오게 하는 거예요.

에너지 합산해보면?

숫자로 정리하면 이래요.

전기로 1kW 투입 + 바깥 공기에서 끌어온 열 3kW = 실내로 들어온 열 4kW

총 투입 에너지 4kW, 총 출력 에너지 4kW. 딱 맞아요 😊

에너지 보존 법칙은 전혀 깨지지 않았어요. 그냥 우리가 전기만 입력으로 보다 보니 마법처럼 보였을 뿐이에요.

사실 에어컨도 히트펌프예요. 여름엔 실내 열을 바깥으로 퍼내고, 겨울엔 바깥 열을 실내로 끌어오는 것뿐이에요.

우리가 전기히터 앞에서 전기요금 걱정하는 동안, 히트펌프는 바깥 찬 공기 속에 숨어있는 열을 조용히 끌어오고 있던 거예요. 생각할수록 참 영리한 기계인 것 같아요 😊

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