복사평형 가상실험 - (열평형,지구온난화 포함)

복사평형실험.zip

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복사평형 가상실험 프로그램입니다.

<2022.5.22 추가> 온실효과가 포함된 복사평형 가상실험2 를 추가로 올려 놓습니다. 이걸 사용하면 지구온난화에 대해서도 설명이 가능합니다.

설치 없이 웹상에서 바로 실행되는 가상실험 프로그램은 아래 링크 참고(2.0은 위 링크 참고) 

https://sciencej1.cafe24.com/html5/Radiationbalance/Radiationbalance2.html

2.0에서는 유리컵 온실효과 버튼을 추가해서 실험도구를 유리컵으로 덮어서 온실효과가 나타나게 해서, 지구 온난화가 되면 왜 온도가 높아지는 지를 시각적으로 볼 수 있게 했다.

지구로 들어오는 에너지는 변하지 않지만  지구에서 빠져나가는 열에너지 중 일부가 대기에서 다시 지표면으로 반사되어 대기가 없을 때 처럼 열 에너지가 쉽게 빠져 나가지 못한다. 위 가상실험 화살표 넓이를 보면 알 수 있다. 

지구 온도가 어느정도 높아지면 지구에서 빠져 나가는 양이 점점 많아 지다가, 태양에서 들어오는 에너지와 지구에서 빠져 나가는 에너지가 같아질 때 열평형을 이루게 된다. 그동안 지구의  온도는 더 높이 올라가게 된다. 

즉 지구 대기에 온실가스가 증가하게 되면, 지구온난화가 일어나 지구 평균온도가 더 높아지게 되는 것이다.

 

<가상실험 방법>

적외선 등을 좌우로 이동시켜 원하는 위치에 놓고 실험시작을 누르면 실험이 시작됩니다.

에너지표시 버튼에 체크가 되어 있으면 컵에 흡수되는 복사에너지와 방출되는 복사에너지 크기가 화살표 두께로 나타납니다.

실험을 하면서 검은 컵에 복사평형이 이루어 질 때까지 온도가 올라가는 것을 볼 수 있고, 우측에 그래프로도 확인이 가능합니다.

적외선 등을 가까이 가져가서 실험하면 컵에 흡수되는 복사에너지 양이 늘어나고, 적외선 등을 멀리하면 컵에 흡수되는 복사에너지 양이 감소하는 것도 확인이 가능합니다

처음에는 컵에서 방출되는 에너지가 적지만, 온도가 올라갈수록 방출되는 에너지가 증가하다가, 입사에너지와 방출에너지가 같아지는 지점에서 복사평형이 일어나는 것을 확인할 수 있습니다.

추가실험팁 : 실험 중간에 적외선 등을 좌우로 움직이면 변화가 바로 우측 그래프에 반영됩니다.

 

<학생들에게 질문해 봐야 겠다>

 

추가질문 : 여름에 기온이 30도가 되면, 체온(36.5도)보다 온도가 낮은데 더운 이유는?

열평형 때문에 사람몸에서 공기중으로 열이 빠져나가 추워져야 하는거 아닌가요?

 

이 질문에 가장 큰 문제점은 사람을 뜨거운 물처럼 일반적인 물질로 보고 있다는 점이다.

사람은 정온동물이기 때문에 호흡을 통해 계속해서 에너지를 만들어 내고 있는 열원이다.

그리고 체온을 항상 약 36.5 도로 유지해야 한다.

그리고 대부분 주변 온도가 체온보다 낮기 때문에 몸에서 계속해서 열이 빠져나가고 있다.
여름에는 주변 온도가 높아진다 해도 체온 보다 낮기 때문에 몸에서 열이 빠져나가는 게 맞다.

그리고 열이 빠져 나가면 체온이 떨어지므로 호흡을 통해 계속 에너지를 만들어야 한다.

즉 사람이 더우냐 추우냐의 문제는 몸에서 만들어진 열이 잘 발산되느냐의 문제로 봐야 한다.

여름에 더위를 심하게 느끼는 건 주변 온도보다 습도의 영향이 더 크다.

우리 체온이 올라가면 몸에서 땀이 나고, 땀이 증발하면서 기화열만큼 몸에서 열을 빼았아 가서 체온이 떨어지게 되는데

습도가 높아지면 땀이 잘 증발하지 못하기 때문에 더위를 느끼게 된다.

사막의 경우 더울때는 체온보다 온도가 높아지지만, 건조하기 때문에 살만하다 한다.
주변 온도가 체온보다 높아지면 단순한 열평형으로만 따지면 열이 주변에서 사람으로 이동하기 때문에 사람의 체온이 계속 올라가야 하지만, 우리 인체는 이런경우 땀을 흘리고, 이 땀이 증발하면서 체온을 떨어 뜨리는 역할을 한다.

사막의 경우 우리나라 보다 덮지만, 건조해서 땀이 잘 증발하기 때문에 체온을 유지할 수 있는 것이다.

 

추가 : 열평형이 이루어진 교실에서 나무로 된 책상보다. 쇠붙이로 된 다리 부분이 더 차가운 이유?

열평형이 이루어졌으니까 온도가 똑같아야 하지 않을까?

이유는 아래 링크 참고

https://sciencelove.com/944

<수업설명팁>교실에서 간단하게 할 수 있는 온도와 열에 대한 실험 - 열평형

 

참고2

https://sciencelove.com/2761

복사평형(온실효과+지구온난화) 가상실험