오직 ‘온도차’만으로 작동한다! 200년 전 발명품이 지금도 놀라운 이유 (스털링 엔진)
사이언스트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험입니다.
알코올램프 하나가 이렇게 큰 힘을 만들어낸다고?
“불을 가까이 가져가기만 했는데 기계가 저절로 돌아가기 시작한다.”
이 말을 들으면 마치 마법 같은 이야기처럼 느껴지지 않나요?
하지만 이것은 약 200년 전에 발명된 엄연한 과학 기술입니다. 이번에 소개할 장난감은 Sunnytech 핫 에어 스털링 엔진입니다.
외형도 무척 멋진데, 실제로 작동시켜 보니 예상보다 훨씬 강한 힘으로 회전하기 시작해서 저도 모르게 감탄이 나왔습니다. 이번에는 이 작은 엔진 속에 숨어 있는 ‘열과 운동의 신기한 관계’에 대해 이야기해 보겠습니다.
도대체 스털링 엔진이란 무엇일까?
스털링 엔진은 유리관이나 실린더 안에 들어 있는 공기를 가열하거나 냉각해 공기를 팽창·수축시키고, 그 힘으로 피스톤과 디스플레이서(공기를 이동시키는 부품)를 움직여 회전 운동으로 바꾸는 엔진입니다. 1816년 스코틀랜드의 성직자이자 발명가인 로버트 스털링이 고안했습니다.
가솔린 엔진처럼 연료를 폭발시켜 동력을 얻는 것이 아니라, 외부에서 공급되는 열로 움직이는 외연기관이라는 점이 가장 큰 특징입니다. 연소실 내부에서 폭발이 일어나지 않기 때문에 구조가 단순하고 소음이 적다는 장점도 있습니다.
직접 작동시켜 보니…
먼저 알코올램프에 불을 붙여 유리관 한쪽을 가열합니다.
잠시 가열한 뒤 플라이휠(관성 바퀴)을 손으로 살짝 밀어줍니다.
그러면 마치 스스로 의지를 가진 것처럼 엔진이 점점 속도를 높이며 회전하기 시작합니다. 이 회전은 발전기와도 연결되어 있어서, 결국 LED가 밝게 켜지는 것까지 확인할 수 있었습니다.
실제로 움직이는 모습은 아래 영상에서 확인할 수 있습니다.
‘온도 차이’가 에너지를 만들어내는 원리
이 엔진이 움직이는 원리를 조금 더 쉽게 살펴보겠습니다.
유리관 안에는 밀폐된 공기가 들어 있습니다. 한쪽을 알코올램프로 가열하면 그 부분의 공기 온도가 올라가면서 팽창하고, 그 힘으로 피스톤을 밀어냅니다. 반대로 다른 쪽은 외부 공기에 의해 냉각되기 때문에 공기가 수축합니다.
이러한 팽창과 수축이 반복되면서 피스톤이 밀리고 당겨지고, 그 운동이 크랭크 장치를 통해 플라이휠의 회전 운동으로 변환됩니다. 즉, 열에너지가 운동에너지로 바뀌는 것입니다.
중요한 점은 연료 자체의 힘이 아니라, 뜨거운 곳과 차가운 곳 사이의 온도 차이가 이 엔진을 움직이는 진짜 원동력이라는 사실입니다.
스털링 엔진은 이론적으로 온도 차이만 존재하면 작동할 수 있습니다. 그래서 태양열을 집중시켜 얻은 열, 공장의 폐열, 심지어 체온과 외부 공기의 온도 차이를 이용하는 방식까지 연구되고 있습니다.
아래는 뜨거운 물로 작동하는 스털링 엔진입니다.
에너지는 사라지는 것이 아니라 형태를 바꾼다
‘열에너지가 운동에너지로 변한다’고 하면 열이 그대로 움직임으로 바뀌는 것처럼 느껴질 수 있습니다. 하지만 실제로는 변환 과정에서 상당한 양의 열이 주변으로 빠져나갑니다. 이것이 바로 에너지 변환 효율의 문제입니다.
여기에는 두 가지 중요한 법칙이 관련되어 있습니다. 하나는 에너지 보존 법칙으로, 에너지는 새롭게 생기거나 사라지지 않고 형태만 바뀐다는 것입니다. 또 하나는 열역학 제2법칙으로, 열은 높은 온도에서 낮은 온도로 이동하며 그 과정에서 사용할 수 있는 에너지의 일부가 반드시 손실된다는 내용입니다.
스털링 엔진도 예외는 아닙니다. 가열에 사용된 열의 대부분은 결국 주변 공기 속으로 방출됩니다. 그럼에도 불구하고 남은 에너지 일부만으로도 엔진을 고속으로 회전시키고, 발전기를 움직여 LED를 밝힐 수 있다는 점은 생각해 보면 상당히 인상적인 일입니다.
손실이 크다고 볼 수도 있지만, 반대로 말하면 그렇게 많은 손실이 발생하는 상황에서도 이 정도의 힘을 만들어낸다는 사실이야말로 에너지 변환의 깊이와 매력을 보여주는 부분이라고 할 수 있습니다.
의외로 우리 주변에서도 활약하는 스털링 엔진
스털링 엔진은 사실 우리의 생활과 전혀 무관한 기술이 아닙니다.
대표적으로 잠수함의 동력원으로 연구되어 온 역사가 있습니다. 매우 조용하게 작동하기 때문에 소음을 줄여야 하는 잠수함에 큰 장점이 되기 때문입니다.
또한 거대한 거울로 태양빛을 모아 고온을 만들고, 그 열로 스털링 엔진을 돌려 전기를 생산하는 태양열 발전 연구도 활발하게 진행되고 있습니다.
작은 장난감에서 최첨단 에너지 기술에 이르기까지, 모두가 ‘온도 차이로 움직인다’는 같은 원리로 연결되어 있습니다.
그렇게 생각해 보면 이번에 소개한 장난감 엔진도 단순한 장난감이 아니라, 미래 에너지 기술의 세계로 들어가는 작은 입구처럼 느껴집니다.
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