냉장고의 역사와 작동 원리 - 엔트로피 증가 법칙

프롤로그

냉장고는 엔트로피 증가의 법칙에 의해 전기를 소비해야만 냉수와 얼음을 만들고 음식도 신선하게 보관할 수 있습니다. 이번 글에서는 냉장고 역사와 작동 원리, 그리고 엔트로피 증가 법칙에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다.

냉장고의 역사

냉장에 관한 기록은 중국 전국시대까지 거슬러 올라갈 정도로 오래되었습니다. 하지만 왕과 일부 권세 있는 귀족들만 얼음을 이용할 수 있었고, 일반 백성들은 추운 겨울 내내 얼어붙은 강물의 얼음을 자르고 운반하는 고통스러운 부역에 시달려야 했습니다.

우리 민족도 신라시대 때 이미 석빙고를 사용했고, 조선시대에는 동빙고와 서빙고를 만들어 얼음을 보관했습니다.

고대 그리스와 로마인들도 노예들이 퍼 나른 고산의 만년설을 잘 뭉쳐 저장고 벽 사이에 넣어 냉장을 하였으며, 마케도니아의 알레산드로스(알렉산더 대왕)나 로마의 네로 황제도 얼음을 즐겼던 것으로 전해집니다.

최초로 얼음을 만드는 데 성공한 사람은 18세기 영국의 윌리엄 컬런으로, 그는 에틸에테르를 진공에서 기화시켜 얼음을 만들었습니다.

냉장고의 효시가 된 제품은 19세기에 들어서서야 나왔는데, 영국의 발명가였던 제이콥 퍼킨스가 에테르와 압축기를 이용하여 현재의 냉장고와 유사한 원리의 제품을 만들었습니다.

초기에는 냉매 누출 등으로 인한 안전사고가 많이 발생했지만, 이후 많은 발명가와 과학자들이 개선된 냉장고들을 내놓으면서 기술이 발전했습니다.

산업용 대형 냉장고가 아닌 가정용 소형 냉장고 개발은 미국의 발명왕 에디슨이 설립한 GE에 의해 20세기 초에 성공했습니다.

지속적인 아이디어 적용과 과학 기술의 발달로 안전한 냉매인 프레온 가스가 활용되었고, 마침내 냉장고의 핵심 부품인 압축기의 소형화에도 성공하면서 지금의 직육면체 형태의 냉장고로 발전하게 되었습니다.

GE가 개발한 최초의 가정용 소형 냉장고

엔트로피 증가 법칙

열역학 제2법칙인 엔트로피 증가 법칙을 한 마디로 요약하면, 모든 비가역 과정에서 엔트로피 즉 '무질서도'가 증가한다는 법칙입니다.

다르게 표현하면, 열은 낮은 온도 쪽에서 높은 온도 쪽으로 이동할 수 없다는 의미이기도 합니다.

물 분자의 고체 결정인 얼음을 상온에 가만히 놓아두면, 무질서도가 더 높은 액체 즉 물로 변하며 다른 작용이 없는 한 다시 얼음으로 돌아갈 수 없는 것입니다.

△S = △Q / T : 온도 T의 고립계가 열 △Q를 흡수할 때의 엔트로피를 정의합니다.
△S ≥ 0 : 항상 0보다 크다 즉 증가한다. 등호는 가역과정의 경우입니다.

엔트로피 이야기를 할 때 가장 많이 인용되는 것이 바로 냉장고입니다.

냉장고가 상온의 물을 찬물로, 다시 얼음으로 변화시키기 때문에 냉장고를 하나의 고립계로 본다면 엔트로피(무질서도)가 작아지는 방향이고, 이는 엔트로피 증가 법칙에 위배되는 것처럼 보이기 때문입니다.

하지만 냉장고는 전기에너지를 통해 냉각 효과를 일으키므로 이를 고려하면 여전히 엔트로피는 증가합니다. 외부에서의 엔트로피 증가량이 냉장고 내부에서의 엔트로피 감소량보다 크므로 전체 엔트로피는 증가하게 되는 것입니다.

또한 냉장고 주변을 포함하여 하나의 고립계로 본다면, 냉장고 외부로 방출되는 열로 인해 주변의 공기 온도가 올라가므로 엔트로피는 증가하게 됩니다.

냉장고의 작동 원리

그렇다면 냉장고의 작동 원리는 어떻게 될까요?

아래 그림과 같이 냉장고의 핵심 부품은 압축기, 응축기, 모세관, 증발기로 나타낼 수 있습니다. 냉장고는 냉매가 기화되면서 냉장고 내부의 열을 흡수한 후, 관을 따라 외부로 나와 열을 방출하고 액체로 변화한 후 다시 투입되는 순환 과정을 통해 내부 온도를 낮추는 것입니다.

냉장고의 작동 원리

냉매의 순환 과정과 변화, 각 부품의 작용을 간단히 정리하면 다음과 같습니다.

저온 저압의 액체 냉매가 냉장고 내부의 증발기에서 기화되면서 열을 흡수하고 내부 온도를 낮춥니다.
기화가 된 냉매는 압축기로 이동하여 크게 압축되면서 고압 고온의 기체가 됩니다.
고온 고압의 냉매가 응축기를 통과하면서 열을 발산하고 다시 액체로 변환됩니다.
액체가 된 냉매가 모세관을 지나면서 베르누이의 원리에 의해 저압 저온의 액체가 됩니다.

따라서 응축기가 장착되는 냉장고의 후면에는 상당한 열이 발산되므로, 벽에 너무 가까이 설치하면 냉각 효율이 떨어집니다. 따라서 적어도 10cm 이상 간격을 두는 것이 좋습니다.

과거에는 왕이나 귀족만 이용할 수 있었던 냉장고가 모든 사람의 생활필수품이 된 것은, 수없이 시행착오를 겪으며 개발한 발명가와 과학자들의 덕분입니다. 지금까지 냉장고의 역사와 작동 원리, 그리고 엔트로피 증가 법칙에 대해 알아보았습니다.

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