화학반응을 비롯하여 여러 가지 물리적, 화학적, 생물학적 과정에서 열(heat)의 흡수나 방출, 또는 이동이 일어난다. 열은 에너지의 한 형태로, 여러 가지 반응이나 과정 동안의 물리적, 화학적 변화를 지배하는 중요한 변수의 하나이다. 그러나 불행하게도 인간의 눈은 이러한 ‘열’을 직접적으로 볼 수 있도록 진화하지 않았다. 따라서 여러 과정에서 일어나는 열의 출입이나 흐름, 열에너지(thermal energy)의 변화 등은 상당히 추상적으로 느껴진다. 이러한 경우, 적외선 카메라는 맨 눈으로는 보이지 않는 ‘열’을 가시화하여 여러 과정에서의 열의 흡수, 방출, 이동 및 에너지의 변화를 직관적으로 볼 수 있게 해주어 물리적, 화학적 변화와 과정에 대한 이해에 크게 도움이 될 수 있다.
모든 물체는 복사 법칙에 따라 절대 온도 0 K (-273.15 ℃) 이상의 온도에서는 전자기 복사선을 자외선(ultraviolet, UV), 가시광선(visible, Vis), 적외선(infrared, IR) 등의 영역에 걸쳐 방출한다. 적외선 카메라는 물체에 의하여 방출, 투과, 또는 반사된, 눈에는 보이지 않는 적외선 영역의 복사선을 전기적 신호로 변환하여 물체 또는 계(system)의 온도 분포를 시각적으로 볼 수 있게 해주는 장치이다. 물체에 의하여 방출되는 적외선의 양(세기)은 물체의 온도에 연관되므로 적외선의 양을 측정하여 물체의 온도 분포를 결정할 수 있다. 적외선 카메라는 열화상 카메라(thermal imaging camera)라고도 하는데, 열화상(thermal image)은 물체에 의하여 방출, 투과, 또는 반사된 적외선의 양을 온도 분포로 변환하여 가색상(false-color)으로 나타낸 이미지이다. 적외선 카메라가 실제로 보여주는 것은 물체 또는 계의 온도 분포이므로 적외선 카메라의 출력 이미지를 thermogram이라고도 한다. 적외선 카메라는 비접촉식으로 작동하므로 측정하는 계를 교란시키지 않는다는 점에서 계와 열접촉이 필요한 온도계나 온도 센서에 비하여 유리한 점이 있다.
열은 서로 다른 온도의 물체 사이에서 일어나는 열에너지(thermal energy)의 이동인데, 물체(계)가 열을 흡수하면 온도는 증가하고 열을 방출하면 온도는 감소한다. 적외선 카메라는 물체(계)의 ‘열’의 이미지를 가시화하여 보여주므로, 관심 대상의 반응이나 과정 동안 계의 열적 패턴의 변화를 통하여 우리 눈에는 보이지 않지만, 실제로는 어떤 일이 진행되고 있는 것인지를 직관적으로 인식할 수 있게 한다. 또한 열화상에 나타나는 변화로부터 열에너지로 변환된 다른 유형의 에너지들에 대한 정보를 유추할 수도 있다.
화학반응 동안 반응물에서는 화학 결합이 끊어지고 생성물의 새로운 화학 결합이 형성되며 에너지 변화가 일어난다. 이러한 에너지 변화는 화학반응을 지배하는 원리를 이해하는데 근본적인 중요성을 가진다.
이 글에서는 적외선 카메라를 이용하여 몇 가지 물리적 과정 또는 화학반응에서 일어나는 열화상을 관찰해 보며, 이러한 과정 동안 우리 눈으로는 볼 수 없었던 열의 출입과 흐름을 가시화해 볼 것이다.
적외선 카메라를 보유하고 있지 않은 경우, 대여 업체로부터 1일 1~2 만원 정도의 비용으로 대여할 수 있다. (인터넷에서 ‘열화상 카메라’로 검색)
실험 1. 적외선에 투명한 물질#
어떤 물체는 가시광선에는 불투명하지만 적외선에는 투명하다. 예를 들어 검은색 비닐봉지를 하나 준비하여 봉지로 손바닥을 가린채 열화상을 관찰해 보자. 투명 비닐, 투명 아크릴판, 실리콘 웨이퍼를 가지고 손바닥을 가린채 열화상을 관찰해 보자. 적외선에 투명한 물질은 무엇이고, 불투명한 물질은 무엇인가?
그림 1에서 볼 수 있는 것처럼 검은색 비닐은 가시광선에는 불투명하지만 적외선에는 투명하고, 실리콘 웨이퍼도 마찬가지이다. 투명 비닐은 가시광선과 적외선 모두 투명하다. 아크릴판은 가시광선에는 투명하지만 적외선에는 불투명하다.
실험 2. 액체의 증발#
우리는 이미 물질의 상태가 변할 때 열의 흡수 또는 방출이 일어난다는 것을 알고 있다. 액체의 물 또는 알코올이 증발할 때 어떤 변화가 일어나는지 열화상을 통하여 확인해 보자.
적외선 카메라로 물의 처음 온도를 측정한다.
거름종이에 물을 2 ~ 3 방울 정도 떨어뜨리고, 즉시 적외선 카메라로 물방울을 떨어뜨린 자리의 온도를 측정한다.
계속해서 적외선 카메라로 물방울을 떨어뜨린 자리의 온도를 10 ~ 20 초 간격으로 측정한다. 최종적으로 물의 온도 변화는 얼마인가?
이소프로필 알코올을 사용하여 같은 실험을 반복한다.
그림 2는 거름종이에 떨어뜨린 물방울이 증발함에 따라 물의 온도가 내려가는 것을 관찰한 열화상이다.
실험 3. 액체의 증기압력#
적외선 카메라로 준비된 물과 소금물의 온도를 측정한다.
거름종이에 물, 소금물, 포화 소금물을 서로 다른 위치에 2 ~ 3 방울 정도 떨어뜨리고 (가능한 동시에), 즉시 적외선 카메라로 물방울을 떨어뜨린 자리의 열화상을 관찰한다. 이때 물방울들이 서로 겹치지 않도록 주의하여 떨어뜨린다.
계속해서 적외선 카메라로 물방울을 떨어뜨린 자리의 열화상을 10 ~ 20 초 간격으로 측정한다. 최종적으로 3 개의 물방울에 대해 온도 변화는 얼마인가?
실험 4. 열의 전도#
폼보드에 금속판과 나무판을 나란히 놓고, 위를 얇은 종이로 덮은 후 적외선 카메라로 온도를 측정한다. (이때 금속판과 나무판은 실온에 오래 놓아두어 같은 온도에 있도록 한 것이 좋다.)
양손의 검지 손가락 각각으로 금속판과 나무판을 살짝 누르며 적외선 카메라로 열화상을 관찰한다. 금속판과 나무판에서 손가락 주변의 온도 분포는 서로 어떻게 다른가?
약 3 ~ 5 분 후, 두 손가락을 모두 떼고, 즉시 열화상을 관찰한다. 금속판과 나무판에서 손가락이 있던 자리 및 주변의 온도 분포는 서로 어떻게 다른가?
실험 5. 물과 소금물 중 어느 쪽의 얼음이 먼저 녹을까?#
두 개의 250 mL 비커에 각각 200 mL의 물과 10% 소금물을 넣고 적외선 카메라로 온도를 측정한다. (물과 소금물의 온도는 동일한 것이 좋다.)
두 비커에 같은 크기의 얼음 조각을 하나씩 넣고 일정한 시간 간격으로 적외선 카메라로 열화상을 관찰한다. (열화상에 두 비커만 보이도록 가까이에서 촬영한다.) 두 비커에서 물의 온도 분포는 어떻게 변하는가?
실험 6. 물질의 용해열#
5 개의 유리병에 준비된 물을 50 mL 씩 가하고, 적외선 카메라로 물의 온도를 측정한다.
유리병 하나에 3 g의 베이킹소다(NaHCO3)를 가하고 용해시키며(뚜껑을 닫을 것) 적외선 카메라로 온도 변화를 측정한다. 물의 온도를 기준으로 최대 온도 변화는 몇 도인가?
나머지 유리병들에 각각 3 g의 Na2CO3, KNO3, KCl, CaCl2을 가하고 같은 방법으로 온도 변화를 측정한다.
여러 가지 물리적, 화학적 과정 동안의 에너지 변화는 보통 엔탈피 변화로 나타내는데, 일정 압력 하에서 계의 엔탈피 변화는 계가 흡수 또는 방출한 열(q)과 같다:
여기서 아래첨자 p는 열의 출입이 일정 압력 하에서 일어나는 것을 나타낸다. (그러나 엔탈피는 상태함수(state function)이므로 어떤 과정에 대한 엔탈피 변화, 는 그 과정이 일정 압력 하에서 일어나지 않아도 동일하다.) 따라서 식 (1)을 이용하여 어떤 과정 동안 흡수 또는 방출되는 열량을 측정하여 그 과정에 대한 엔탈피 변화 를 결정할 수 있다.특히, 화학반응 동안 일어나는 엔탈피 변화를 반응 엔탈피(enthalpy of reaction), 라 하는데, 반응계가 열을 흡수하는(열이 주위에서 계로 이동하는) 흡열반응(endothermic reaction)에서는 , 반응계가 열을 방출하는(열이 계에서 주위로 이동하는) 발열반응(exothermic reaction)에서는 이다.
