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생활과학모범사례(교내수상작)

생활 과학 모범사례우리 생활 곳곳에는 과학이 숨겨져 있다. 숨겨진 과학을 찾아 그 원리를 알아내려는 사람이 있는 반면, 무심코 지나가버리는 사람이 있다. 만약 대다수의 사람들이 전자였다면 과학은 더 발전하지 않았을까 하는 생각이 된다. 미국의 유명한 발명가 에디슨도 위대한 발명품들을 남긴 것이 그저 똑똑한 두뇌 때문은 아닐 것이다. 에디슨 또한 과학에 관심을 가지고 실생활에서 과학이 사용되면 좋을 요소들을 유심히 보았을 것이다. 에디슨이 살던 당시, 밤에 불을 켤 때 가스등을 주로 사용했다고 한다. 사람이 일일이 불을 켜 번거로웠을 뿐만 아니라 화재의 위험과 폭발사고를 감수했어야만 했다고 한다. 이러한 불편한 요소를 유심히 본 에디슨이 전기를 이용한 전구를 발명해내면 사고도 막을 수 있을 것이라 판단되어 발명했을 것이다. 우리도 에디슨처럼 생활과 과학을 잘 연결한다면 전구 못지않은 발명품이 나올 거라 믿어 의심치 않는다. 또, 과학에 대한 관심을 가지고 원리를 알아내려 한다면 과학적 사고력이 신장될 것이라 생각이 되어진다. 이러한 이유로 생활 속 숨겨진 과학에 관심을 가졌으면 좋겠다. 자, 그럼 내가 생활 속에서 찾은 과학 모범사례를 소개하려 한다. 바로 ‘전기 주전자’이다. 전기주전자는 유용하게 사용되곤 한다. 전기 주전자는 물을 따뜻하게 끓여준다. 전기주전자를 한 번쯤은 사용해본 사람이라면 알 것이다. 전기 주전자는 물이 끓이고 일정 시간이 지나면 알아서 꺼진다. 당연하게 여기는 사람이 있을 수도 있다. 하지만 자주 사용하곤 하는 전자레인지는 우리 손으로 직접 꺼야 한다. 나는 어떠한 이유로 전기주전자는 자동으로 전원이 꺼질까 하는 의문이 생겼다. 그리고 나는 인터넷과 과학도서에 찾아본 결과, 전기주전자의 작동 방법이 때문이라는 사실을 알게 되었다. 온도센서에 의해 다양하게 전원이 차단이 된다. 첫 번째 방법은 ‘바이메탈’을 이용한 것이다. 바이 메탈이란 막대 형태의 부품이다. 바이 메탈의 가장 큰 특징은 온도가 조금만 변화해도 굽어진다는 것이다. 이로써 변화가 일어나는 금속을 스위치로 사용한다. 일정 온도에 다다르면 바이메탈의 성질에 의해 한쪽 방향으로 굽어져 전원을 차단하게 된다. 바이 메탈에 대해 알아보면서 궁금한 사항이 생겼다. 1학년 때 신소재에 대한 보고서를 작성한 경험이 있었다. 이때 신소재의 한 분류인 신금속 재료의 형상기억합금을 조사했었다. 바이 메탈과 형상 기억 합금이 유사한 부분을 보아 비교해보았다. 바이 메탈은 열을 가해졌을 때 열팽창률이 낮은 금속으로 굽게 된다. 즉, 물질의 원리를 기반으로 하여 분리가 가능하다. 형상기억합금은 특정 온도에서 기억되어 형상되는 합금이다. 합금은 바이메탈과 다르게 물질의 원리를 기반으로 하여 분리하기 힘들다. 이러한 이유로 밀도 차로 분리하거나 녹는점의 차이를 이용하여 분리하곤 한다. 바이 메탈과 형상기억합금은 일정한 온도에 다다르면 형태가 변한다. 하지만 형상기억합금은 특정 온도에서의 형상을 기억하여 특정 온도로 맞춰주어야 하는 차이점이 있다.다시 돌아가서 전기 주전자의 두 번째 방법인 ‘가스’를 이용한 방법이다. 열에 민감한 반응을 하는 냉매를 아주 작은 관에 투입을 하여 열을 받게 되면 가스가 스위치를 밀고 다시 당기는 방법이다. 이와 같은 방법을 가스 온도조절 방식이라 일컫는데 에어컨, 가습 히터에도 주로 사용된다. 이로써 왜 자동으로 스위치가 꺼지는지에 대해 알 수 있었다. 그런데 나는 또 의문점 하나가 생겼다. 퓨즈를 대체 장치로 이용할 순 없을까 호기심이 생겼다. 퓨즈가 어느 정도의 범위를 넘어서면 전류가 흐르는 것을 막게 하여 전원 또한 꺼질 것이라 생각하였기 때문이다. 이 의문점이 생겨 조사를 하다 보니 내 생각에는 많은 오류가 있었음을 깨달았다. 퓨즈는 정해진 값 이상의 전류가 흐르면 녹아서 끊어진다는 중요한 성질을 간과하고 있었다. 전기 주전자의 대체 장치로 사용할 수 없는 이유는 전기주전자에서 사용되는 전류의 값이 퓨즈가 정해진 전류의 값을 넘어가기 때문이다. 주말이었다. 여느 때처럼 라면을 끓이려고 전기주전자에서 물을 끓였다. 그런데 지난번에 가스레인지로 물을 끓였을 때보다 훨씬 빨리 끓었다. 뭔가 둘 중에 하나가 빨리 끓을 것 같다는 예측은 하였는데 왜 그런지 정확한 이유를 알지 못해 답답하던 차였다. 역시나 인터넷과 과학도서로 조사해보았다. 전기주전자의 구조를 파악하면 쉽게 이해할 수 있는 문제였다. 주전자 하단부에 핫 코일이라 불리는 합금이 들어간다. 이것은 일반 주철보다 열전도율이 매우 높아 순간적인 고온이 이루어진다. 전기주전자는 빛을 줄이고 발열을 높이는 경우다. 결국 순간적으로 고온을 가하여 화력으로 인하여 물을 끓이는 가스레인지보다 빨리 끓이게 되는 것이다. 이것은 전기가 열방식 중 저항가열을 사용한 것이다. 저항과 열중 전기주전자가 사용되는 간접식 저항가열은 열을 복사, 전도 및 대류에 의하여 전달하여 가열하는 방식이다. 간접식 저항가열이 사용되는 까닭은 효율적으로 고온을 유도하고 온도를 자유롭게 제어할 수 있기 때문이다. 이렇게 전기주전자에 대해 심층 분석을 하다 보니 문득 전기 주전자의 재질에 따른 각 특성도 알고 싶어졌다. 각 재질에 따라 물을 끓일 때 어떠한 영향이 미치는지 직관적으로는 알 수 있으나 과학은 객관적인 학문으로서 개인의 추측과 판단으로 섣불러 결론 내릴 수 없기에 조사를 해보았다. 일단 스테인리스를 재질로 사용한다면 긍정적인 영향은 환경 호르몬이 없다. 그 이유인즉슨 스테인 리스의 물성이 강하여 잘 벗겨지지 않아서이다. 그렇다면 다른 재질이 환경호르몬이 유발되는 이유는 어느 정도 사용하다 보면 벗겨진 부분에서 환경호르몬을 유발한다는 사실을 도출할 수 있다. 부정적인 영향은 스테인리스의 성질로 무거워 들고 있기에 힘이 든다. 플라스틱 재질을 전기 주전자로 사용한다고 가정해보자 긍정적인 영향은 무엇일까. 직관적으로 파악해볼 수 있는 것은 플라스틱은 어디서나 쉽게 볼 수 있다는 것이다. 이 부분에서 도출해낼 수 있는 것인데 가볍고 가격이 저렴하다. 이러한 영향 때문에 주변에서 쉽게 찾아볼 수 있는 것이다. 부정적인 영향은 스테인리스에 반해 잘 벗겨져 환경호르몬에 노출될 위험이 크다. 플라스틱에 들어있는 환경호르몬은 프탈레이트가 있다. 플라스틱을 유연하고 말랑말랑하기 위해 넣은 성분인데 생태계를 오염시키는 물질로 알려져 있다. 이 밖에도 우리의 신체 기능이나 생장에 방해를 하여 환경호르몬은 피하는 것이 바람직하다. 일반 유리보다 강도가 3~5배나 더 높은 강화유리를 전기주전자로 사용하게 된다면 어떠한 영향을 미칠까? 긍정적인 영향으로는 벗겨질 일이 없어 환경호르몬이 생성될 일이 없다. 또한 유리는 투명한 성질을 가지고 있어 내부 상태를 확인할 수 있다. 부정적인 영향으로는 큰 충격시 깨진다는 점이 있다. 아무리 유리보다 3~5배 강도가 큰들, 보다 큰 충격을 받게 된다면 깨질 수밖에 없는 것이다. 마지막으로 도자기로 전기 주전자를 사용한다면 어떠한 영향을 미칠까? 도자기를 살다가 한 번쯤은 보았을 것이다. 변형된 흔적 하나 없이 우아한 풍채를 지닌 도자기, 덕분에 긍정적인 영향으로는 변질되거나 변형 없이 오래 견딜 수 있다는 점이 있다. 그리고 다른 재질 보다 다양한 디자인을 추구할 수 있다. 하지만 부정적인 영향이 있다. 역시나 강화유리처럼 깨질 수 있다는 것이다. 하지만 다양한 재질의 전기주전자에도 공통점이 있다. 당연한 사실일지 모르겠지만 겉은 뜨겁지 않다는 것이다. 당연한 사실로 받아들였겠지만 왜 그런지 정확히 알지 못한다면 그것은 알고 있는 것이 아니라고 생각하여 조사하였다. 안은 철로 뜨겁지만 겉표면에 거리를 두어 플라스틱 재질을 사용하였다. 덕분에 거리를 유지하여 열을 곧바로 받지 않게 한 것이다. 실제로 물을 끓인 후에 아래쪽 열판을 만져보면 엄청 뜨거운 것을 확인할 수 있을 것이다. 그리고 전기주전자를 오랜 기간 동안 사용해본 사람이라면 물때에 대한 고충을 느꼈을 것이다. 석회질 성분이 많은 물을 사용하면 흰색 때가 생긴다. 생물학적으로 무기물과 물속에 들어있는 생명체가 죽은 다음에 묻는 물때이므로 일반적으로 물속에 떠다니는 조류로 생각하면 된다. 건강상에 문제는 없지만 물론 오래 끓이지 않고 계속 놔둔 물에서 생긴 것이라면 세균 증식으로 인해 장염이나 복통을 일으킬 우려가 있지만 물때가 낀 곳에 계속 물을 붓고 끓여 먹는다면 걱정하지는 않아도 된다. 정 물때를 제거하고 싶다면 주전자 안에 물을 가득 넣고 식초를 몇 방울 떨어뜨린다. 다음날 헹궈내면 물때가 제거되어있을 것이다. 혹은 스펀지에 소금을 묻혀 문지르면 주전자의 물때가 제거될 것이다. 이렇게 과학 원리로 통하여 생활의 지혜도 얻을 수 있는 것을 보면 분명하다. 과학은 생활과 밀접한 연관이 있다. 나 또한 과학에 관심을 갖기 전에는 그렇게 밀접한 영향이 있는지 간과하며 살아왔다. 하지만 고등학생이 되어 과학에 관심을 갖고 유심히 살펴보니 정말 생활 속에 과학을 빼면 아무것도 안 남을 정도로 많은 과학이 숨겨져 있다. 나는 그 숨겨진 과학들 중 오늘 하나인 전기 주전자를 풀어 설명했다. 물론 전기 주전자 말고도 여러 가지 많았고 앞으로도 생활 속 과학을 잘 찾아내어 원리를 알아낼 예정이다. 만일 과학이 없었더라면 우리는 원시시대에 머물렀을 것이다. 예를 들어, 컴퓨터도 할 수 없으며 휴대전화로 날씨 정보 또한 알 수 없었을 것이다. 사람들의 알려고 하는 호기심 덕분에 사회가 이렇게 발전 할 수 있었던 것이다. 또한 과학적으로 탐구하고 발명해낼 때 후 결과도 생각해야 한다. 노벨이 다이너마이트를 발명하였다. 광산과 굴착공사에 유용하게 쓰이긴 하였지만 다이너마이트는 노벨의 생각과 달리 전쟁 때 수많은 사람을 죽이고 다치게 만든 무서운 무기로도 사용된 것이었다. 이러한 것으로 보아 과학을 탐구하거나 사물을 발명해낼 때에는 윤리적 태도도 갖추어야 한다고 생각한다. 마지막으로 아인슈타인의 명언으로 마무리하려고 한다. “종교가 없는 과학은 절름발이요, 과학이 없는 종교는 맹인이다.”사람들이 과학에 대하여 관심을 가지게 되었으면 좋겠다. 그렇게 된다면 우리가 염원하지 않아도 바람직한 방향으로 과학이 발전될 것이라 믿어 의심치 않는다.

자연과학| 2018.07.29| 4페이지| 3,000원| 조회(1,416)

과학, 생활과학모범사례, 전기주전자원리

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