살을 에는 듯한 추위가 연일 기승을 부리고 있다. 찜통 더위에 맥을 못추던 때가 엊그제 같은데, 그 많던 열(熱)은 모두 어디로 갔을까.

열은 항상 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동한다. 자연의 법칙이지만 때로는 ‘이런 이동이 없었으면’ 하고 생각할 때가 있다. 이런 인류의 희망은 오래 전부터 있었으며,1892년 J. 듀어에 의해 ‘듀어병’이 처음으로 발명됐다. 이것이 바로 오늘날 보온병의 시작이다.

●보온병의 원리, 열의 이동 차단

보온병은 내부의 열이 온도가 낮은 바깥으로 빠져나가지 않도록 열의 이동을 막은 것이다. 열의 이동은 전도·대류·복사라는 세 가지 방법으로 이뤄지며, 이 세 가지 방법을 통한 열의 이동을 모두 막아야 내부의 온도를 유지할 수 있다. 전도·대류·복사 중 어느 방법으로 열이 이동할지는 매개 물질의 상태에 의해 결정된다. 일반적으로 전도는 고체에서, 대류는 액체와 기체에서, 복사는 매개 물질과 상관없이 이뤄진다.

이 중 전도의 경우 두 물체가 맞닿아 있을 때 온도가 높은 물체의 분자는 큰 운동 에너지를 갖고 있어 빠른 속도로 운동, 온도가 낮은 물체의 분자에 충돌하게 된다. 충돌 과정에서 고온 물체의 열 에너지가 저온 물체로 이동하게 되는 것이다.

대류는 액체와 기체의 일부분이 온도가 상승하면, 그 부분은 팽창하여 밀도가 작아지므로 가벼워져 위로 올라간다. 이어 그 주위에 있던 온도가 낮고 밀도가 큰 부분이 내려오는 과정을 되풀이함으로써 열이 이동한다. 예컨대 에어컨을 높은 곳에 두거나, 난방기구를 낮은 곳에 설치하는 것은 바로 대류 효과를 극대화하기 위한 것이다.

또 열이 매개 물질 없이도 고온의 물체에서 저온의 물체로 이동하는 것을 복사라고 한다. 고온의 물체는 전자기파 형태로 열을 방출해 온도가 내려가고, 저온의 물체는 이 전자기파를 흡수해 온도가 올라간다. 이렇게 열이 빛의 형태로 전달되는 것을 열복사, 적외선·가시광선·자외선 등의 전자기파를 열복사선이라고 한다.

●보온병의 핵심은 ‘진공 정도’

보온병은 전도·대류·복사를 통한 열의 이동을 막기 위한 구조를 갖추고 있다. 우선 외부의 플라스틱 안쪽은 두 개의 유리병으로 되어 있다. 굳이 유리를 사용하는 이유는 유리가 다른 물질에 비해 열전도가 잘 안되기 때문이다. 내용물을 넣고 뺄 수 있는 입구를 막은 마개 역시도 유리처럼 열전도율이 낮은 고무로 만들어진다.

또 두 유리병 사이는 진공 상태이다. 즉 공기가 없기 때문에 두 유리병 사이에서는 전도와 대류가 발생하지 않는다. 보온병을 ‘Vacuum Flask’(진공병)라고 부르는 이유도 여기에 있다. 완벽한 진공 상태를 유지하기는 어렵겠지만, 진공의 정도에 따라 보온병의 성능이 좌우된다고 해도 지나친 말이 아니다.

하지만 전도와 대류 현상이 일어나지 않는다고 해서 열의 이동을 막은 것은 아니다. 열이라는 녀석은 진공 상태에서도 이동하는 방법을 알고 있는데, 열복사가 그것이다. 보온병에는 열복사에 의해 열이 빠져나가는 것을 막기 위해 내부벽에 은으로 도금이 되어있다. 도금은 내용물에서의 복사를 반사, 내부로 되돌려 보내는 역할을 한다. 결국 보온 능력의 차이는 어떤 기술이 더 많이 적용되었는가보다는 어떤 기술이 더 완벽히 적용되었는가에 달려있다고 볼 수 있다.

보온병은 외부의 열이 내부로 들어오지 못하도록 할 수 있기 때문에 보온(保溫) 기능뿐만 아니라, 여름철에는 보냉(保冷)을 위해서도 유용하게 활용될 수 있다.