에어컨이 없는 여름을 상상할 수 있을까? 불과 약 십 년 전만 해도 은행에 가서 앉아 있기가 최고의 피서법 중 하나로 꼽히곤 했지만, 최근에는 가정에도 에어컨이 많이 보급되어 에어컨은 이제 우리에게 무척이나 친숙한 장치가 되었으며, 어느새 지나친 냉방으로 인한 냉방병이 문제가 되는 시대가 왔다. 에어컨은 알다시피 실내를 시원하게 해 주는 장치이다. 물론 세상에 공짜는 없다. 에어컨을 작동하는 데에는 상당한 전기가 들어가며, 실내의 온도를 낮춘 대신 바깥으로는 뜨거운 바람을 뿜어낸다. 아마 많은 사람들이 더운 여름날 길을 걷다가 에어컨 실외기의 뜨거운 바람을 맞고 기분 나빴던 기억이 있을 것이다. 다시 정리하자면, 에어컨은 전기의 에너지를 이용하여 실내의 열을 바깥으로 뽑아내어 실내 공기의 온도를 낮추는 장치이다. 그리고 에어컨은 냉장고와 거의 똑같은 장치이기도 하다. 주사를 맞기 전에 바르는 알코올은 금새 증발하면서 피부를 시원하게 만드는데, 이렇게 액체가 증발하면서 열을 뺏어가는 것이 에어컨의 핵심 원리이다. 그렇지만, 이런 설명은 너무 피상적이다. 그래서 열이 무엇인지, 기체와 액체가 어떤 성질을 가지는지를 에어컨의 역사, 그리고 구조에 대한 설명과 함께 알아보자.

우리는 어렴풋하게 열이 무엇인지 알고 있다. 따뜻한 물에 손을 넣었을 때 손에 전해지는 온기, 길거리를 걷다가 에어컨 실외기에서 나오는 바람을 맞았을 때의 느낌, 그리고 사람의 체온, 항상 우리는 열을 느낀다. 그렇다면, 과학적으로 열은 무엇일까?
열물리학이라는 분야가 정립되기 이전에는 플로지스톤(그리스어로 인화성을 의미하는 플로지스토스에서 온 말)이라고 부르는 무게가 없는 입자가 있어서 이것이 열을 전달한다는 관점이 존재했으나, 결국 열이란 단순히 분자들의 운동임이라는 것이 밝혀졌다. 즉, 뜨거운 물체는 그 물체를 구성하는 분자들의 운동이 빠르고 활발한 것이며, 차가운 물체는 그 물체를 구성하는 분자들의 운동이 느린 것이다. 예를 들어, 물이 뜨겁다는 것은, 그 물을 이루는 분자들이 움직이는 속도가 내 손을 이루는 분자들이 움직이는 속도에 비해 평균적으로 더 빠르다는 것을 의미한다.
분자들은 서로 바쁘게 충돌하면서 에너지를 주고받는다. 그래서 빠른 분자들과 느린 분자들이 함께 있으면, 빠른 분자들이 느린 분자들에게 점차 에너지를 전달해주면서, 결국 열평형이라고 부르는 상태에 도달한다. 온도가 다른 두 물체를 충분한 시간 동안 붙여 놓으면 두 물체는 항상 서로 같은 온도에 도달한다.




하지만 열평형 상태라고 해도 모든 분자들이 똑같은 속력으로 움직이게 되는 것은 아니다. 열평형 상태에 이르면 분자들의 속력은 일정한 분포를 만든다. 평균 속력에 비해 상당히 느린 분자들도 있고, 빠른 분자들도 존재한다. 이 분포를 맥스웰 분포라고 부른다.



최초의 에어컨이라고 할 수 있는 장치는 수천 년 전, 현재의 이란인 페르시아에서 발명된 바드기르(Badgir)이다. 영어로는 Windcatcher라고 부르는데, 바람잡이 혹은 바람잡개라고 번역할 수 있다. 이 장치는 지금도 거의 그대로 쓰이고 있다.





이것은 건물 위에 우뚝 솟은 탑인데, 일종의 효율적인 환기장치이다. 이름 그대로, 이 장치는 지나가는 바람을 잡아 집 안으로 끌어들이고, 집 안의 더운 공기는 바깥으로 뽑아낸다. 그럼 이 장치는 어떻게 작동하는 것일까?
뜨거운 공기와 차가운 공기를 상상해보자. 뜨거운 공기 분자들은 차가운 공기에 비해 평균적으로 더 빠르게 움직인다. 뜨거운 공기와 차가운 공기에서 똑같은 개수의 분자를 세어서 피스톤이 달린, 밀폐된 통에 넣었다고 생각해보자. 이 통의 각 면에는 공기 분자들이 수없이 와서 부딪히는데, 뜨거운(빠른) 공기분자와 차가운(느린) 공기분자를 비교해보면 빠른 공기분자들이 피스톤에 더 강한 힘을 가하게 된다는 것을 알 수 있다. 뜨거운 쪽은 시속 100km로 야구공이 날아와 부딪히는 모습을, 차가운 쪽은 시속 50km로 야구공이 날아와 부딪히는 모습으로 상상해 보라. 당연하게도 뜨거운 공기를 담은 통의 피스톤이 더 센 압력을 받는다.
이제 피스톤이 고정되어 있지 않다고 생각해보자. 바깥에도 공기가 있기 때문에 피스톤 위에서도 누르는 압력이 있다. 이 압력이 바로 대기압이다. 그러면, 뜨거운 공기통과 차가운 공기통에서 피스톤의 위치를 비교해보면 어떨까? 그렇다. 뜨거운 공기가 미는 힘이 더 세기 때문에 뜨거운 공기통의 피스톤이 더 높은 곳에 밀려 있게 된다.
즉, 뜨거운 공기는 차가운 공기에 비해서 더 많은 공간을 차지하려고 하며, 따라서 밀도가 낮아진다. 뜨거운 공기와 차가운 공기가 함께 있으면, 밀도가 큰 차가운 공기는 아래쪽으로 내려가고, 뜨거운 공기는 위로 올라간다.
공기 분자 하나 단위에서 생각해 보자. 뜨거운 공기분자는 빠르게 움직이고, 차가운 공기분자는 천천히 움직인다. 이 분자들에게 중력이라는 힘이 가해진다면, 누가 영향을 더 많이 받을까? 물론 차가운 분자이다. 방을 뛰어다니는 두 꼬마아이가 있다고 생각해보자. 한 아이는 정신없이 빠르게 뛰어다니고, 또 한 아이는 슬렁슬렁 걸어 다닌다면, 누구를 잡아다 앉히는 게 쉬울까? 마찬가지로, 차가운 공기는 중력을 더 쉽게 느껴 아래로 가라앉고, 뜨거운 공기는 중력을 덜 느껴 위로 뜬다. 이것을 대류라고 한다. 이 현상은 공기 뿐 아니라 모든 액체와 기체에 적용된다.
바드기르는 대류현상을 잘 이용한 환기장치이다. 높게 설치된 탑은 이름 그대로 시원한 바람을 잡아서 아래로 보내고, 이 공기는 집안의 따뜻한 공기를 역시 이 탑의 반대쪽 환기구를 통해 밖으로 밀어낸다. 바람이 없을 때는 창문만 열어놓으면 된다. 따뜻한 공기는 상승해서 탑을 통해 빠져나가고 대신 바깥의 시원한 공기가 창문을 통해 쉽게 들어온다.
지하실이나 지하의 방은 지상에 있는 방보다 훨씬 시원한 것을 알 수 있는데, 그 이유도 대류현상 때문이다. 삼국시대부터 얼음을 보관하는데 사용했던 우리나라의 석빙고나 목빙고도 이 대류 현상을 잘 이용한 장치이다. 빙고는 지하에 만들어졌고, 뜨거운 공기가 들어올 수 없도록 입구에 차단 장치가 있으며, 방 안에도 뜨거운 공기를 빼내기 위한 환기 장치가 잘 만들어져 있었다.



여름에 잠시나마 추위를 느낄 수 있는 가장 간편한 방법이 무엇일까? 아마도 물을 끼얹고 나서 선풍기나 에어컨 앞에 앉아있거나 열심히 부채질을 하는 것이 아닐까? 이렇게 물이 묻어 있는 곳에 바람을 불어주면, 이 바람이 물방울 표면의 물 분자들을 날려 보내 증발시켜 온도를 낮춘다. 그러면 물이 증발하는데 온도는 왜 낮아질까?
증발이란, 액체 상태였던 분자들 중 일부가 기체 상태로 변화하는 것이다. 물을 예로 들어보자. 물의 끓는점은 섭씨 100도이다. 이 온도 아래에서는 물은 액체이고, 이 온도 위에서는 수증기가 된다. 앞서, 온도란 분자들이 움직이는 속도라고 했다. 즉, 끓는점 아래에 있는 물 분자들은 끓는점 위에 있는 물 분자들에 비해 속도가 느리다.
물을 끓이는 것은 물 분자들의 속도를 계속해서 높여주는 것이다. 이렇게 속도가 높아지다 보면, 표면에 있는 분자들이 다른 물분자들의 구속력을 이기고 탈출을 하게 된다. 증발도 거의 흡사한 현상이다.
증발의 경우, 물 전체의 온도는 끓는점에 비해 훨씬 낮다. 즉, 물 분자들의 속력이 그렇게 빠르지 않다. 그런데 어떻게 증발이 일어날까? 그건 앞서 언급한 것처럼 분자들의 속력이 모두 같지 않고 특정한 분포를 이루고 있기 때문이다. 끓고 있는 물에 비해 분자들의 평균속력은 상당히 작더라도, 매우 빠른 속력을 가진 분자들이 약간은 존재한다. 즉, 온도가 낮은 물이라도 개중에는 끓을 수 있는 - 무척 빠른 속도를 가진 - 물 분자가 약간은 있다. 이런 물 분자들은 물 밖으로 뛰쳐나가 수증기가 될 수 있다.
이렇게 물 분자들 중 일부가 큰 에너지를 가지고 빠져나가게 되면, 남아 있는 물 전체는 약간 온도가 낮아진다. 어떤 학교의 평균이 70점이었다고 해보자. 전교 일등을 하던 학생이 전학가면 그 학교의 평균점수는 약간 내려간다. 이제 남은 학생 중에서 전교 일등을 하는 학생이 다시 전학하면 학교의 평균은 또 조금 내려간다. 이런 식으로 계속해서 공부를 잘 하는 학생이 전학가게 되면 그 학교의 평균은 계속해서 내려간다. 마찬가지 일이 물에서도 발생한다.
그러면 이런 증발은 끊임없이 일어나 온도가 계속해서 낮아질까? 그렇지는 않다. 물 밖으로 뛰쳐나갈 수 있는 빠른 물 분자가 있는 반면, 공기 중에서 돌아다니던 분자들 중 어떤 분자들은 물 표면에 부딪혔다가 다시 빠져나가지 못하고 물에 붙잡힌다. 이런 분자들은 반대로 물 전체의 온도를 약간 올리게 된다. 이렇게 공기 중으로 뛰쳐나가는 물 분자와 물 속으로 뛰어 들어오는 물 분자가 균형을 이루면 증발이 멈추게 된다.
따라서 공기의 습도에 따라 물이 증발하는 속도가 달라진다. 공기가 건조할수록 공기중에 있는 물 분자의 수가 적고, 따라서 물로 뛰어드는 수증기 분자의 수도 적어지기 때문에 상대적으로 증발이 빠르게 일어난다. 그리고 온도가 높을수록 물 분자들의 평균 속력이 빠르기 때문에 역시 공기중으로 쉽게 도망가게 되어 증발이 빠르게 일어난다.
이 원리를 직접 이용한 것이 증발식 냉각기다. 뜨거운 여름날에 길거리에 물을 뿌리는 것과 정확히 같은 원리로 공기를 시원하게 하는 방법이다.
건조하고 뜨거운 공기가 지나가는 길에 물을 놓아둔다. 그러면 물은 뜨거운 공기로 인해 증발하고, 물을 증발시키는데 쓰인 에너지 때문에 공기의 온도는 그만큼 낮아진다. 물을 계속 증발시키면, 뜨겁고 건조한 공기는 점점 시원하고 습한 공기로 변한다.
이 방법은 실제로 많은 지역에서 쓰이고 있으며, 많은 장점을 가지고 있다. 일단 온도가 낮은 곳에서 높은 곳으로 열을 퍼내는 것이 아니라 물의 증발열을 이용하는 것이기 때문에 에너지가 적게 들며 장치도 간단하다. 실제로, 흔히 쓰는 에어컨에 비해 절반 이하의 설치비에 절반 이하의 에너지만 있으면 냉방이 가능하다. 게다가 외부 공기가 지속적으로 들어오기 때문에 환기도 잘 된다.
그러나 이 장치는 치명적 단점이 있는데, 공기가 뜨겁고 건조해야 냉각이 효율적으로 이루어진다는 것이다. 앞서 설명한 것처럼 공기가 건조할수록 물을 쉽게 증발시키기 때문이다. 공기가 습해질수록 효율이 떨어지고, 습도가 어느 이상이 되면 냉각효과가 사라진다. 그래서 한국처럼 습한 여름을 겪는 지역에서는 사용할 수가 없다. 또 다른 단점은 이렇게 들어온 공기가 온도는 낮지만 매우 습하다는 것이다. 습한 공기는 그리 쾌적하지도 않은데다가, 금속으로 만들어진 각종 물건들을 쉽게 녹슬게 하고 가전제품을 쉽게 망가지게 만든다.
이런 단점을 부분적으로 극복한 냉각기도 있다. 습한 공기를 먼저 건조제를 이용하여 건조한 공기로 만들고 이 건조한 공기를 냉각시킨 뒤 다시 건조한 공기로 만드는 방법으로 습한 공기도 냉각시킬 수 있고, 만들어내는 시원한 공기도 아주 습하지 않게 하는 것이다.



현대적 에어컨을 처음 떠올린 것은 19세기의 위대한 물리학자인 패러데이(Michael Faraday)였다. 그는 처음으로 암모니아 가스를 압축했다가 팽창시키는 방법으로 냉각이 가능하다는 것을 생각해냈다.
1842년에 이르러, 존 고리(John Gorrie)라는 의사가 압축기를 이용하여 얼음을 만들어내어 열병 환자들에게 시원한 바람을 제공하는데 사용했다. 그러나 자연 얼음 산업을 지키기 위한 사람들이 종교지도자를 등에 업고 그의 기술이 악마적이라고 비난하여 그는 더 이상 이 기술을 발전시키지 못했다고 한다.
1902년, 에어컨의 아버지라고 불리는 윌리스 캐리어(Willis Haviland Carrier)가 등장하여 현대적인 에어컨을 만들게 된다. 그는 자신의 이름을 딴 에어컨 회사를 만들었고, 그 회사는 아직도 대표적인 에어컨 회사 중 하나이다. 그의 에어컨은 전기로 작동했고, 온도 뿐만 아니라 습도까지 조절할 수 있었다.
그러면, 패러데이의 머리에서 떠올라 캐리어에서 완성된 현대의 에어컨은 어떻게 작동할까?





기본적인 구성은 위의 그림과 같다. 에어컨은 실내기와 실외기 두 부분으로 구성된다. 냉매는 실내기에서 실내의 열을 빼앗고, 실외기로 가서 그 열을 바깥에 배출한다. 실내의 공기에서 열을 뽑아내기 위해서는 그 물체보다 낮은 온도의 냉매를 실내의 공기와 맞닿게 하면 되고, 실외의 공기로 열을 방출시키려면 그 물체보다 높은 온도의 냉매를 그 물체와 접촉시켜 놓으면 된다.
그러면, 냉매의 온도를 어떻게 마음대로 조절할까? 먼저 냉매의 온도를 올리는 건 냉매를 강하게 압축하면 된다. 이때 냉매의 압력과 온도가 모두 상승하게 된다. 이제 이 고온 고압의 냉매가스를 실외기에 있는 열교환 파이프를 통해 흘려보내면 실외의 공기에 열을 전해주면서 서서히 식게 되고, 결국 액체상태로 변하게 된다.
이제 이 액체상태의 냉매는 팽창기를 지난다. 팽창기를 지나면서 압력이 급격하게 떨어지는데, 압력이 낮은 산 위에서는 물이 쉽게 끓는 것과 같은 원리로 증발이 쉽게 일어난다. 앞서 설명했던 것처럼 액체가 증발하면 주위로부터 열을 빼앗아가게 되고, 그래서 온도가 급격히 떨어진다. 즉, 에어컨의 실내기는 이런 증발과정을 일으키고, 열교환기를 통해 차가운 공기를 만들어낸다.

그런데, 지금까지 말했던 냉매는 어떤 물질을 써야 할까? 냉매는 우선 목표로 하는 실내온도에서 쉽게 증발하는 물질이면 좋다. 만약 끓는점이 실내 온도보다 높다면, 냉매가 잘 증발하지 않아 효율이 나쁠 것이다. 또한, 냉매는 증발할 때 많은 열을 빼앗을 수 있는 물질이어야 하며, 반응성이 적어 에어컨의 내부 장치를 손상시키지 않아야 한다.

에어컨이 만들어진 초기에는 암모니아를 냉매로 썼다. 암모니아는 끓는점이 섭씨 -33도 정도로 낮고, 냉매로 쓰기에 알맞은 조건들을 가지고 있었으나 새어 나올 경우 매우 위험하다는 치명적인 단점을 가지고 있었다. 그래서 인체에 끼치는 해가 없으면서 냉매로 쓰기 좋은 프레온을 개발하여 쓰기 시작했다. 그러나 프레온이 오존층을 파괴하는 부작용이 있다는 것이 밝혀진 후로는 차츰 대체 냉매가 개발되어 쓰이고 있다.



에어컨을 틀면 습기가 제거되어 실내가 쾌적해진다. 자동차 설명서는 겨울이라도 습기가 차면 에어컨과 히터를 함께 틀어 제습을 하라고 한다. 그러면 에어컨은 어떻게 습기를 제거할까?
공기는 온도에 따라 가지고 있을 수 있는 수분의 제한이 있고, 이 한도는 온도가 낮아질수록 내려간다. 즉, 차가운 공기는 뜨거운 공기에 비해 가지고 있을 수 있는 수분이 적다.
일정량의 수분을 가진 공기 덩어리를 생각해보자. 계속 공기를 차갑게 만들면, 공기가 가지고 있던 물의 양이 그 온도에서 공기가 가지고 있을 수 있는 수증기의 양을 넘어서게 되고, 그러면 수증기 상태였던 수분이 이슬이 되어 맺히게 된다. 이 온도를 이슬점이라고 한다.
앞서 설명한 것처럼 에어컨의 실내기는 냉매가 빼앗아가는 증발열로 인해 매우 차가워진다. 그래서 습한 공기가 이 차가운 관에 닿으면 온도가 이슬점 아래로 내려가고, 따라서 실내기에서 냉매가 지나가는 관에 이슬이 맺힌다. 에어컨은 이렇게 맺힌 이슬을 배수로를 통해 밖으로 빼낸다. 이런 원리로 에어컨은 실내의 습기를 이슬로 변화시켜 밖으로 내보내어 습기를 제거하게 된다.


뜨거운 여름을 조금이라도 시원하게 보내기 위한 인류의 노력은 현대적 에어컨으로 그 결실을 맺었다. 에어컨은 압력을 낯춤으로써 액체 상태의 냉매를 증발시켜 실내 공기로부터 열을 빼앗고, 그 냉매를 압축시켜 온도를 올린 뒤 외부로 열을 전해주는 방식으로 열을 실내에서 실외로 뽑아낸다. 에어컨은 이처럼 물질의 상전이 현상을 잘 이용한 장치이다. 한편, 에어컨은 프레온 가스에 의한 오존층 파괴, 막대한 전기에너지 소모 문제, 그리고 냉방병 같은, 앞으로 해결해 나가야 할 숙제를 우리에게 안겨주었다.