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○ 차가워지는 원리

구입한 식품을 오랫동안 변하지 않게 보관하기 위하여 냉장고를 이용하고, 또한 더운 여름철을 시원하게 보내기 위하여 에어컨을 이용한다. 이 두 가지 전자제품은 모두 같은 원리를 이용하고 있다.

알코올을 몸에 바르면 시원한 느낌을 주고, 가스라이터에 가스를 주입할 때 가스라이터가 차게 되는데 이것은 액체가 증발할 때에 주위에서 다량의 열을 빼앗아서 기화하기 때문이다. 이처럼 액체가 기체로 바뀔 때 주위의 물체에서 열을 빼앗는 성질을 이용한 것이 바로 냉장고와 에어컨의 기초 원리이다.

물질들은 고체, 액체, 기체와 같이 서로 상태를 달리할 수 있으며 물질은 각 상태가 변화될 때 열을 흡수 또는 방출한다. 즉 얼음이 녹아 물이 되거나, 증발하여 수증기가 될 때 열을 흡수한다. 반대로 수증기가 물이 되거나, 물이 얼음이 될 때 열을 방출하게 된다.

에어컨이나 냉장고는 기체가 되면서 주변의 열을 흡수하여 냉장고안이나 방안을 시원하게 만들기 위한 물질로 알코올이나 물 대신에 휘발성이 강한 액체 냉매를 사용한다. 냉장고안을 계속 차갑게 유지시켜주기 위해서는 연속해서 냉매가 공급되어 증발하여야 할 것이다. 이를 위해서는 큰 용기에 냉매를 저장하고 사용하면서 냉매가 떨어질 경우에는 다시 보충해 주어야 하므로 불편하게 된다. 그래서 다른 방법을 사용한다. 그것은 기체가 된 냉매를 버리지 않고 다시 액체로 만들어주는 것이다. 이 때 기체로 증발할 때와는 반대로 주변에 열을 방출하게 된다. 냉장고의 안은 시원하지만 냉장고의 뒤쪽이 뜨겁고 에어컨의 실외기에서 뜨거운 바람이 나오는 것은 냉매가 액체가 되면서 열을 뿜어내기 때문이다.

○ 순환주기
냉각을 위해서는 냉매가 기체가 되고 다시 액체가 되는 과정을 끊임없이 반복해야 한다. 이러한 순환은 압축과정, 응축과정, 팽창과정, 증발과정으로 나누어지며 이것을 냉동사이클이라고 하며, 에어컨이나 냉장고는 이들 4가지 주요한 기기를 서로 연결하여 냉매의 흐름을 통제하기 위해 전자제어기를 장착한 것이다.

사람의 심장이 피를 온몸으로 보내는 강력한 펌프 역할을 하는 것과 같이 압축기도 냉매에 힘을 주어 계속적인 순환이 가능하도록 하는 부분이다. 또한 증발하여 기체가 된 냉매를 압축하여 압력을 높이면 분자 사이의 거리가 가까워져 비교적 높은 온도에서도 쉽게 액체가 될 수 있는 상태로 만든다.
압축기를 나온 고온·고압의 냉매를 응축기가 차갑게 식혀 주어 액체로 변하게 된다. 이때 응축기 표면으로부터 열이 퍼져 나오게 된다. 냉장고의 뒷부분, 그리고 에어컨의 실외기가 뜨거운 이유는 이러한 이유 때문이다.
압력이 높을수록 끓는점은 높아지고, 반대로 압력이 낮을수록 끓는점은 낮아진다. 예를 들어 높은 산에 올라가면 압력이 낮아 끓는점도 낮아지기 때문에 물은 100℃ 이하에서 끓게 된다. 응축기에서 나온 냉매는 고압이므로 끓는점이 높아 기체로 변하기 어렵기 때문에 팽창밸브를 거쳐 압력을 낮추어 주어 실온에서 증발이 일어나도록 한다. 만약 압력을 낮추지 않으면 끓는점이 높아 냉매는 증발되지 않아 열을 흡수할 수 없게 된다.
팽창밸브를 나온 저온·저압의 냉매는 증발기로 들어가 주변으로부터 열을 빼앗으며 증발되어 기체상태로 된다. 기체로 된 냉매는 증발기에서 나와 압축기로 되돌아가게 된다.

○ 냉매로는
과거에는 냉장고의 냉매로는 암모니아나 이산화황을 사용했는데 이들은 독성, 연소성, 부식성, 자극성, 악취 등이 심해 불편함은 물론 화재, 재료의 부식, 인체의 손상, 환경오염 등의 문제가 발생하였다. 화학자들은 독이 없는 새로운 대체 가스를 개발하려고 노력했고 그 결과로 다른 것과 혼합되지 않는 프레온을 발명하였으며, 이 프레온은 냉장고, 에어컨의 냉매 또는 스프레이 등에 사용되고 있다. 그러나 과학자들은 만일 프레온 분자에 자외선이 가해지면 프레온 분자가 분해되어 염소원자를 방출하고, 이 염소원자에 의해 오존층이 파괴된다는 것을 밝혀냈다. 쪼개진다는 사실을 발견했습니다. 오존층이 파괴되면 사람에게는 피부암과 백내장을 유발시키고, 식물은 엽록소 파괴되어 살수없게 되며, 플랑크톤도 살수 없어 해양 생태계가 파괴된다.
2006년부터는 지구환경보호 때문에 프레온가스를 사용하지 않기로 했으며, 현재 프레온 가스를 대체할 새로운 냉매를 개발 중에 있다.


○ 에어컨 대신 냉장고를
에어컨과 냉장고는 같은 원리를 사용하고 있다 하더라도 냉장고 문을 열고 에어컨 대신 사용할 수는 없다. 그 이유는 열을 흡수하고 방출하는 위치 때문이다. 에어컨의 경우에 실내에서 열을 흡수하고, 방출은 실외기라는 것을 통해 건물 밖에서 이루어진다. 반면에 냉장고는 내부에서 열을 흡수하고, 냉장고 뒤와 바닥에서 열을 방출한다. 열의 흡수와 방출이 실내에서 이루어지기 때문에 실내 기온을 낮추는데는 아무런 효과가 없고, 오히려 전기사용량만 증가할 뿐이다.