우리 주변의 열역학

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열역학

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우리 주변에 열역학이 응용되고 있는 분야는 수없이 많으며 열역학이 응용되지 않는 것이 없다고 말할 수 있을 정도로 많다. 여러 기관들에서 열역학적 이론이 발견된다. 그 예로 각각의 엔진 기관, 냉장고 등 우리 주변에서 쉽게 접하는 물건에서 볼 수 있다. 그 중에서도 중요하고도 흥미로운 응용분야의 하나는 생태계인데, 에너지 전달과 변환 과정이 상당히 복잡하면서도 호기심을 자아낸다. 생태계는 열적인 평형에 있지 않으므로 해석하기가 쉽지 않다. 이와 같이 복잡함에도 불구하고, 생태계는 기본적으로 수소, 산소, 탄소 및 질소의 네가지 원소로 이루어져 있다. 인체를 구성하는 전체 원자 중에서 수소는 63%, 산소는 25.5%, 탄소는 9.5% 그리고 질소는 1.4%를 차지한다. 나머지 0.6%의 원자는 생명에 필수적인 20가지의 요소이다. 질량 기준으로 인체의 약 72%는 물이다.
살아있는 유기체의 기초 요소는 세포인데, 이것은 유기체의 생존을 위해 필수적인 기능을 수행하는 작은 공장과 같다. 생태계는 단세포처럼 간단할 수 있다. 인체는 평균 직경이 0.01mm인 약 100조 개의 세포를 가지고 있다. 세포막은 어떤 물질은 통과시키고 반면에 어떤 물질은 통과시키지 않는 반투막이다.
대표적인 세포에서는 매초마다 분자들이 분해되고 에너지가 방출되고 새로운 분자들이 형성되는 수천 개의 화학반응이 일어난다. 인체의 온도를 37C로 유지하는 한편 필요한 신체적인 일을 수행하는 세포에서 일어나는 고도의 화학 활동을 신진대사(metabolism)라고 한다. 간단한 용어로, 신진대사는 탄수화물, 지방 및 단백질과 같은 음식물을 태우는 것을 말한다. 휴식 상태에서 신진 대사율을 기초 대사율(basal metabolic rate)이라 하며, 이것은 외부 활동이 없는 상태에서 호흡이나 혈액 순환 같이 신체가 필수 기능을 수행하는데 필요한 신진대사율이다. 신진 대사율은 신체의 에너지 소비율로 설명될 수도 있다. 나이 30살, 몸무게 70kg, 몸의 표면적 1.8m인 보통 남자의 경우, 기초 대사율은 84W이다. 즉, 몸은 84W의 비율로 주위에 에너지를 발산한다. 이것은, 그림 1과 같이 몸이 음식물의 화학에너지(먹지 않는 경우에는 몸속의 지방)를 84W의 열에너지로 바꾸고 있다는 것을 의미한다. 신진 대사율은 활동 정도에 따라 증가하며, 심한 운동을 할 때에는 기초 대사율의 10배를 넘을 수 있다. 즉 실내에서 심하게 운동하고 있는 두 사람이 실내에 공급하는 에너지는 1kW 전열기보다 많다(그림2). 신진 대사 에너지에 대한 현열의 비율은 일이 심한 경우에는 약 40%이고, 일이 가벼운 경우에는 약 70%이다. 나머지 에너지는 잠열의 형태로 호흡에 의해 몸으로부터 방출된다.

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