그렇다면 이번에는 열평형이 어떻게 이루어지는지, 조금 더 자세하게 살펴 보기로 한다.

2. 열평형

열평형이란, 서로 온도가 다른 두 물체의 온도가 같아지면서 열의 흐름이 없는 것을 말한다.

위와 같이 온도가 서로 다른 물체를 붙여 놓았을 때, 시간이 지나면 같은 온도에 도달하게 된다.

이때 두 물체 사이에는 열의 흐름이 없고, 열평형에 도달했다고 말한다.

그렇다면 열은 무엇일까?

3. 열과 에너지의 이동

일반적으로 어떤 물체의 온도가 높을수록 많은 에너지를 가지고 있고, 온도가 낮을수록 적은 에너지를 가지고 있다.

이때 에너지가 많은 쪽에서 적은 쪽으로, 즉 온도가 높은 물체에서 낮은 물체로 에너지가 이동하는데 이것을 열이라고 한다.

에너지를 방출한 물체는 온도가 낮아지고, 에너지를 받은 물체는 온도가 올라간다.

이러한 열의 이동은 두 물체의 온도가 같아질 때 까지 계속된다.

열의 흐름이 이러한 것은 마치 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 것 처럼 자연스러운 현상이다.

그래서 에너지의 흐름을 물의 흐름과 많이 비유하기도 한다.

4. 열의 전달 방식

열은 크게 대류, 전도, 복사라는 세 가지 방식으로 전달된다. 대류는 에너지와 물질이 함께 이동한다.

전도는 물질을 통해 에너지가 전달되지만, 물질의 이동은 없다.

예를 들어 아래 영상에서 라면을 끓이는 것을 보고 이를 1)대류 와 2)전도의 방식으로 이해해보자.

위의 영상에서 인형이 벽난로 안으로 빨려 들어가는 이유는 대류 때문이다.

벽난로 안에서 공기는 가열되고, 가열된 공기는 벽난로의 굴뚝으로 빠져나간다.

이때 빠져나간 공기의 빈 공간을 채우기 위해 방 안의 공기들이 벽난로 안쪽으로 빨려들어가는 흐름이 형성된다.

이 흐름을 따라 인형이 빨려들어간 것이다.

그렇다면 벽난로 앞에 있는 사람은 왜 따뜻함을 느낄까?

벽난로의 불에 의해 데워진 따뜻한 공기는 굴뚝으로 모두 빠져나가므로 대류로 인해 온기를 느끼는 것은 아니다.

그리고 공기중에서의 전도는 대류에 비해 상당히 느리다.

따라서 벽난로 앞의 사람에게 벽난로의 에너지는 전도와 대류 보다는 주로 복사를 통해 전달된다.

벽난로에서 방출되는 적외선, 가시광선(빛) 등의 전자기파가 사람들에게 에너지를 전달해주는 것이다.

이러한 에너지 전달 방식을 복사라고 한다.

6. 결론 : 뜨거운 물이 식는 이유

그럼 이제 처음의 질문에 대해 대답할 차례이다. 뜨거운 물이 식고, 열평형에 도달하는 이유는 무엇인가?

1) 에너지는 온도가 높은 물체에서 온도가 낮은 물체로 이동한다.
2) 이러한 에너지의 이동 방식에는 대류, 전도, 복사가 있다.
2-1) 대류 : 뜨거운 물의 위쪽에 손을 얹으면 뜨거운 공기와 함께 열이 전달된다.
2-2) 전도 : 그릇을 만지면 물에서 전달되는 온도를 느낄 수 있다.
2-3) 복사 : 눈에는 보이지 않지만, 적외선, 마이크로파 등 전자기파의 형태로 에너지가 방출된다.
3) 따라서 뜨거운 물이 식는 이유는 물보다 온도가 낮은 주변으로 대류, 전도, 복사를 통해 에너지가 방출되기 때문이다.

앞으로의 고등학교 교육과정을 위해서, 열평형과 에너지 전달 방식에 대해 잘 이해하고 있길 바란다.

지구의 복사평형에 대해서는 아래 글을 참고 바란다.