여름이든 겨울이든 방안에 둔 금속이 종이나 나무로 만들어진 것 보다 훨씬 차갑다는 것은 다 아는 사실이다. 금방 냉장고에 꺼낸것이 아니라 2-3시간에 그냥 둔 것이니 책이나 캔의 온도는 같아야 할텐데 우리가 손을 데면 금속이나 액체를 담은 팩이 훨씬 차다.
갑자기 우리 딸아이가 이런 것을 질문하면 어떻게 답해야할까? 라는 생각이 들었다. 전공시간에 열역학을 배우긴 했지만... 결국 구글링과 여러 링크를 서핑한 결과 두 가지 단서를 찾을 수 있었고, 나름 결과를 정리해본다.
다음으로 "접촉한 두 물질의 종류에 따라서 온도변화율이 달라지는가"에 대한 의문이 꼬리를 문다. 몇 가지 키워드로 자료를 찾다보면 "열전달 heat transfer", "열전도율 heat conductivity"이라는 용어를 접할 수 있다(2). 사실은 이공계 출신이라 전도율이라는 단어는 금방 떠올라서, '온도 전도율'로 검색했더니 올바른 표현인 '열전도율' 자료를 찾을 수 있었다.
냉장고안에 있었거나, 히터 위에 올려져 있지 않다면 일정기간 방안에 놓여 있던 물건들의 온도는 모두 같다. 그러나, 금속 물질을 만지면 차갑다고 '느껴'지는데, 이것은 금속의 열전도성이 다른 물질, 즉 나무나 종이 같은 것들 보다 뛰어나서(3) 우리 몸의 열을 더 잘 빼았기 때문이다. 몸에 접촉한 물질이 열을 뺏는 과정이 온도변화율로 나타나고, 감각세포들이 그 변화율의 크기에 따라서 차갑다고 느끼는 것이다.
갑자기 우리 딸아이가 이런 것을 질문하면 어떻게 답해야할까? 라는 생각이 들었다. 전공시간에 열역학을 배우긴 했지만... 결국 구글링과 여러 링크를 서핑한 결과 두 가지 단서를 찾을 수 있었고, 나름 결과를 정리해본다.
"온도감각은 현재의 온도가 아니라 온도변화율에 반응한다"
피부가 온도를 느끼는 것은 주로 온각섬유 warm receptor와 냉각섬유 cold receptor가 각각 작용한다(1). 참고자료를 꼼꼼히 읽어보면 각 섬유세포의 역치(threshold)에 대해서 나오는데 단위가 [온도/시간]이다.온각의 역치는 0.001℃/sec, 냉각의 역치는 0.004℃/sec 이며 공통으로 약 3초 후에 순응한다.즉, 사람은 초당 온도가 얼만큼 변화는 가에 따라 온도를 느끼는 정도가 달라진다는 것이다. 겨울에 바람이 많이 부는 날은 체감온도가 낮아지는 이유도, 어느정도 따뜻해진 옷속의 공기를 계속 차갑게 하면서 변화율을 높이기 때문인 것이다. 결국 방안의 물건들이 같은 온도임에도 불구하고 금속성 물질과 종이로 만들 것을 만질때 감각의 차이는 온도변화율에 기인하는 것임을 알 수 있다.
다음으로 "접촉한 두 물질의 종류에 따라서 온도변화율이 달라지는가"에 대한 의문이 꼬리를 문다. 몇 가지 키워드로 자료를 찾다보면 "열전달 heat transfer", "열전도율 heat conductivity"이라는 용어를 접할 수 있다(2). 사실은 이공계 출신이라 전도율이라는 단어는 금방 떠올라서, '온도 전도율'로 검색했더니 올바른 표현인 '열전도율' 자료를 찾을 수 있었다.
"물질마다 열전도율이 다르다"
열역학을 아시는 분들은 너무나 당연한 말이지만, 실생활에선 잊고 살기 때문에...냉장고안에 있었거나, 히터 위에 올려져 있지 않다면 일정기간 방안에 놓여 있던 물건들의 온도는 모두 같다. 그러나, 금속 물질을 만지면 차갑다고 '느껴'지는데, 이것은 금속의 열전도성이 다른 물질, 즉 나무나 종이 같은 것들 보다 뛰어나서(3) 우리 몸의 열을 더 잘 빼았기 때문이다. 몸에 접촉한 물질이 열을 뺏는 과정이 온도변화율로 나타나고, 감각세포들이 그 변화율의 크기에 따라서 차갑다고 느끼는 것이다.
요약
마지막으로 요점을 정리하면, 방안의 금속이 실제로 다른 것보다 차가운 것이 아니라 단지 우리 몸이 더 차갑다고 '느낄'뿐이며, 그 이유는 열전도율이 높아서 피부에 접촉할 때 온도변화율이 높기 때문이다.- 방안의 물건들은 모두 같은 온도이다.
- 피부의 온도감각세포는 접촉한 물질의 온도가 아니라 온도변화율을 감지한다.
- 열전달율이 높은 물질이 피부에 닿으면 온도변화율이 높아지고,
- 열전달율이 낮은 물질보다 차게 느낀다.
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