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열역학

냉동: 사이클을 거꾸로 돌려 열을 끌어올리다

기관을 거꾸로, 일 W로 열을 찬 데서 뜨거운 데로. QH = QC + W, 성능은 COP = QC/W, 카르노 COP = TC/(TH−TC)

열기관을 거꾸로 돌리면 냉동기가 된다. 열이 뜨거운 쪽에서 찬 쪽으로 떨어지며 일을 거두는 대신, 일을 들여 열을 찬 쪽에서 뜨거운 쪽으로 밀어 올리는 것이다. 열이 오르막을 거꾸로 오르는 유일한 길이고, 냉장고와 냉동고와 열펌프가 이렇게 움직여요.

찬 쪽의 열은 일을 들여야 뜨거운 쪽으로 올라가고, 뜨거운 쪽은 QH = QC + W를 받는다. 열은 원래 뜨거운 쪽에서 찬 쪽으로 저절로 흐르니, 거꾸로 밀어 올리려면 펌프가 필요하고, 들인 일은 고스란히 열로 바뀌어 뜨거운 쪽에 더해져요.

실제 냉장고에서 냉매는 네 장치를 돈다. 증발기에서 끓으며 찬 쪽 열을 빨아들이고, 압축기가 눌러 압력을 높이고, 응축기에서 엉기며 뜨거운 쪽 열을 내놓고, 팽창밸브에서 압력을 떨어뜨려요. 이는 랭킨을 거꾸로 돌린 것이고, 냉매는 끓는점이 아주 낮아 냉장고 안처럼 찬 곳에서도 증발하며 열을 빨아들인다. 땀이 증발하며 살갗을 식히는 것과 같은 원리다.

냉동기는 효율이 아니라 성능계수 COP = QCW로 평가하는데, 들인 일 한 단위당 옮긴 열이고 보통 1보다 크다. 들인 일보다 더 많은 열을 옮기기 때문이에요. 그 값이 1을 넘어도 에너지를 만들어 내는 것이 아니라, 없던 열을 짜내는 대신 이미 있던 열을 찬 곳에서 퍼 옮길 뿐이니, 옮긴 열이 들인 일보다 많을 수 있다.

같은 기계가 찬 쪽을 차게 두고 싶으면 냉동기이고 그때 쓸모는 QC 이며, 뜨거운 쪽을 데우고 싶으면 열펌프이고 그때 쓸모는 QH 다. QH = QC + W이니 열펌프의 계수는 늘 냉동의 계수보다 1 커요. 그래서 열펌프로 난방하면 전기 히터보다 이득인데, 히터는 전기 한 덩이를 열 한 덩이로 바꾸지만 열펌프는 바깥 공기나 땅에서 공짜 열을 퍼 와 몇 배를 내놓기 때문이다.

냉동은 기관을 거꾸로 돌린 것이고, 열을 위로 옮기려면 반드시 일이 들며, 성능계수로 평가하고 최대 COP = TC(TH−TC)는 온도 차가 작을수록 커요. 이로써 고리가 닫힌다. 하나의 상태에서 법칙으로, 그리고 세상을 돌리는 순환까지 온 것이다. 그 온도 차의 힘은 집에서도 드러나, 열펌프는 안팎의 차가 가장 크게 벌어지는 가장 추운 날에 가장 힘겹게 돌아간다.

빠른 적용냉동기와 열펌프는 열기관을 거꾸로 돌려 일을 들여 열을 찬 곳에서 뜨거운 곳으로 옮기는 장치다. 1법칙으로 QH = QC + W이고, 2법칙이 일 없이는 못 옮긴다고 못 박아요. 실제 기계는 증발기, 압축기, 응축기, 팽창밸브로 랭킨을 뒤집은 모양이다. 성능은 효율이 아니라 성능계수로 재는데, 냉동은 COP = QCW, 열펌프는 COP = QHW = 냉동 COP + 1이며 보통 1보다 커요. 이론 한계는 COP = TC(TH−TC)이라 온도 차가 작을수록 잘 돌아간다. 이로써 열역학 한 바퀴를 마치며, 계와 상태에서 출발해 일과 열과 1법칙으로 에너지를 세고, 2법칙과 카르노와 엔트로피로 방향과 한계를 정한 뒤, 랭킨과 오토와 디젤과 냉동이라는 실제 순환으로 그 원리가 세상을 어떻게 돌리는지 보았다.
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