안녕하세요. 이원영 전문가입니다.
전기·전자
Q. 증기기관차의 발명원리는 어떻게 되나요?
안녕하세요. 이원영 과학전문가입니다.증기기관차는 19세기를 상징하는 인공물로 영국 산업혁명의 대미를 장식했다. 증기기관차의 선구자로는 퀴뇨, 머독, 트레비식 등이 있으며, 상업적으로 활용된 증기기관차를 최초로 만든 사람은 조지 스티븐슨(George Stephenson, 1781~1848)이었다. 실린더안에 수증기를 주입하면 피스톤이 밀려 올라간다. 이 수증기를 다시 응축시켜 진공을 만들면 외부 대기 압력과 실린더 안의 압력에 차이가 생겨 피스톤이 아래로 내려간다. 이 과정을 통해 실린더는 상하운동을 한다. 피스톤에 양동이를 연결하면 사람이 물을 퍼 올리지 않아도 증기압력으로 인해 생기는 상하운동을 이용해 양동이로 물을 퍼 올릴 수 있다
화학
Q. 뜨거운 물이 차가운 물보다 왜 더 빨리 얼까요?
안녕하세요. 이원영 과학전문가입니다.여러 가지 가설들은 있지만 아직 정확한 원리는 밝혀지지 않았다. 많은 사람들은 뜨거운 물 분자들이 활발하게 활동하면서 증발이 더 잘 일어나기 때문에, 뜨거운 물의 질량이 상대적으로 작아져서 더 빨리 언다고 생각한다. 하지만 용기를 밀폐해서 증발효과를 제거해도 음펨바 효과는 관찰된다. 또 뜨거운 물에는 녹아있는 기체의 양이 적어서 빨리 언다거나, 뜨거운 물이 용기 주변의 환경을 변화시켜서 냉각 과정을 바꾼다는 주장도 있다.대류현상도 원인으로 생각해 볼 수 있다. 뜨거운 물은 차가운 물보다 초기에 외부로 잃는 열의 양이 많아서 대류현상이 뜨거운 물에서 더 활발해진다는 것이다. 이렇게 될 경우 뜨거운 물이 차가운 물보다 외부로 열을 더 빨리 잃게 된다. 하지만 대류현상은 용기의 모양에 영향을 많이 받기 때문에 이 가설은 보편화되기가 어렵다.최근에는 과냉각 이론이 거론되고 있다. 물이 얼음으로 되려면 응결핵이 필요한데 응결핵이 없으면 물은 0도에서도 얼지 않는다. 이러한 현상을 과냉각이라 한다. 뜨거운 물이 약 영하 2도에서 얼은 반면에 차가운 물은 영하 8도에서 얼었다는 연구 결과가 있긴 하지만, 그 원인이 확실치 않아서 음펨바 효과를 뒷받침해주기에는 부족하다.이 모든 가설들이 복합적으로 작용해서 음펨바 효과가 나타난다고 말하기도 한다. 온도, 증발, 대류, 용존 기체, 전도와 같은 현상이 동시에 작용하여 뜨거운 물이 식을 때 물이 증발하고, 이 증발로 인해 많은 열을 잃고 또 물의 양이 줄어서 빨리 얼게 된다는 것이다.다양한 주장에도 불구하고 아직 음펨바 효과의 결정적인 원인을 알려주는 이론은 없다.
화학
Q. 공기청정기는 어떤 원리로 집안의 유해 공기를 정화시키나요?
안녕하세요. 이원영 과학전문가입니다.전기적으로 오염 물질을 제거하는 공기 청정기는 방전 에 의한 이온화 방식을 이용한다. 수천 볼트의 고전압을 걸어주면 전극 자체에서 전자가 생성되거나 전극 주위의 기체에서 전자가 만들어져 전극 주위에 플라즈마가 형성된다. 플라즈마란 기체 상태의 원자나 분자에서 전자가 분리되어 전자와 이온을 포함하고 있는 상태로 전기를 잘 전도한다. 이렇게 만들어진 전자가 공기 중의 입자에 부착되면 입자들이 (-)전하를 띠게 되고, 전하를 띤 먼지 입자는 정전기적 인력에 의해 반대 전하가 걸려 있는 집진판으로 이동하여 들러붙어 제거된다.
화학
Q. 환원반응은 무엇이며 어떤 사례가 있나요?
안녕하세요. 이원영 과학전문가입니다.환원반응은 늘 산화반응과 동반해서 진행되는 것이므로 생활주변에서 많이 관찰할 수 있다. 환원은 본래의 것으로 되돌린다는 의미로 사용되는 용어이지만 화학자들이 사용하는 환원은 물질의 변환을 의미한다자동차 촉매산화질소를 질소(N2) 혹은 암모니아 등으로 환원시키는 반응은 실생활에서 이용되는 반응이다. 자동차의 배기관에는 자동차 배기 가스에서 배출되는 산화질소를 환원시키는 촉매가 들어 있다.공기를 정화하는 곳에 환원반응이 이용되고 있는 셈이다.NO2 + HC(탄화수소) → N2 + CO2 + H2O
지구과학·천문우주
Q. 화장실이나 세면대에서 물을 내릴때 항상 회전하면서 내려가잖아요. 근데 남반구와 북반구에서 그 회전 방향이 다르다고 하던데 정말인가요?
안녕하세요. 이원영 과학전문가입니다.물이 흘러가는 방향에 지구의 자전에의한 전향력은 항상 영향을 미칩니다. 변기나 욕조의 물에도 전향력이 작용하는 것이죠. 다만 물의 양이나 전향력을 받는 면적이 지구 대기 현상의 규모에 비하면 현저히 적기 때문에 변기나 욕조, 세면대의 물은 전향력에 의해 아주 미미한 영향을 받는다고 볼수 있습니다. 오히려 물이 흘럭ㄹ때 전향력보다는 배수구의 모양 구조 등의 영향을 받는 다고 볼 수 있습니다. 이로 인해서 북,남반구에서라도 시계방향으로 물이 빠지는 것도 있고 반대방향으로 빠지는 것도 있습니다.
지구과학·천문우주
Q. 왜 극지방에서만 오로라가 발생하나요?
안녕하세요. 이원영 과학전문가입니다.자기장 때문입니다. 태양에서 날아오는 대전입자가 지구 가까이에 오면 대부분 지구 자기장 밖으로 흩어지지만, 그 중 일부가 밴 앨런대에 붙잡혀서 북극과 남극으로 모이게 됩니다. 이것이 상층 대기와 충돌하면서 방전을 일으키는 것이 오로라 입니다
지구과학·천문우주
Q. 해안가 방파제에 테트라포드가 설치되어 있습니다. 파도를 막는 등 과학적 원리가 있습니까?
안녕하세요. 이원영 과학전문가입니다.테트라포트는 정사면체의 한가운데에서 각 꼭짓점을 잇는 선의 모양을 본떠 만들어졌다. 정사면체는 모든 다면체 중에서 무게중심이 가장 아래에 있다. 테트라포트도 같은 구조를 가져 매우 안정적이다. 큰 파도에 움직이더라도 항상 같은 모양을 유지한다. 파도의 힘과 수압을 이겨야 하는 방파제를 보호하는 데 테트라포트가 제격이다. 다른 다면체보다 빈틈없이 촘촘히 쌓는 것도 큰 장점이다. 수학적으로 겉넓이가 가장 작으면서 부피가 가장 큰 입체도형이 구라면, 겉넓이가 가장 크면서 가장 적은 부피를 갖는 도형이 정사면체다.테트라포트의 구조로 파도가 부딪히면 파도의 일부는 통과하고 일부는 소실됩니다. 그래서 유실되지 않고 파도에 견딜수있는 것입니다. 평면이라면 유실될 확률이 높아지는 거죠
지구과학·천문우주
Q. 오로라는 지구 상층부 어디에서 발생하는지요?
안녕하세요. 이원영 과학전문가입니다.오로라가 발광하는 것은 고도 100~500킬로미터입니다. 이는 성층권(고도 10~50킬로미터), 중간권(고도 50~80킬로미터)보다도 높은, 열권이라는 권역입니다.
지구과학·천문우주
Q. 여름마다 태풍이 올라오는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 이원영 과학전문가입니다.태풍은 저기압과 수증기에 의해서 발생을 합니다. 수증기는 바닷물에서 공급이 됩니다. 그런데 우리나라는 바닷물의 수온이 여름에 높습니다. 8,9월 높습니다. 그럼 수증기 공급이 원활하게 되어 태풍이 발달하는 조건이 되는 것입니다. 그래서 여름에만 주로 발생하는 것입니다.
지구과학·천문우주
Q. 남반구와 북반구의 고위도 지방에서 볼 수 있는 아름다운 자연현상인 오로라는 어떻게 해서 생기는 것인지 과학적인 이유가 궁금합니다.
안녕하세요. 이원영 과학전문가입니다.오라의 현상 원리를 과학적으로 살펴보면 태양의 플라스마 때문이라고 합니다. 태양에서 플라스마 일부가 지구의 자기장으로 인해서 대기에 진입하게 되고, 지구의 공기와 반응하면서 빛을 발생시키는데 이때의 현상을 우리가 말하는 "오로라"라고 합니다. 오로라는 지상에서 90 ~250km 상공에서 거대한 커튼처럼 펼쳐지는 모양을 하며 나타나는데요. 이러한 모습때문에 오로라 커튼이라고 불리기도 합니다. 오로라를 보면 가장 아래쪽이 색이 밝고 위로 올라갈수록 색이 옅어지는데요. 사실은 위, 아래 모두 밝기의 차이는 거의 없다고 합니다.