기계가 항상 열을 견딜 수 있는 것은 아닙니다. 두 명의 엔지니어가 열파가 자동차에서 컴퓨터에 이르기까지 모든 것을 위협하는 원리에 대한 물리학을 설명합니다.

Feb 23, 2024

게시자: Norhasnima Dimacaling2023년 8월 30일

작성자: Srinivas Garimella(Georgia Institute of Technology) 및 Matthew T. Hughes(매사추세츠 공과대학(MIT)), [이 기사는 The Conversation에 처음 게재되었으며 허가를 받아 재출판되었습니다.]

특히 기록적인 폭염이 몰아치는 여름에는 사람들만이 시원함을 유지해야 하는 것이 아닙니다. 휴대폰, 데이터 센터, 자동차, 비행기를 포함한 많은 기계는 극심한 더위 속에서 효율성이 떨어지고 더 빨리 성능이 저하됩니다. 기계도 자체적으로 열을 발생시켜 주변의 뜨거운 온도를 더욱 뜨겁게 만들 수 있습니다.

우리는 기계가 열을 관리하는 방법과 낭비되는 열을 효과적으로 회수하고 재사용하는 방법을 연구하는 엔지니어링 연구원입니다. 극심한 열이 기계에 영향을 미치는 방식에는 여러 가지가 있습니다.

완벽하게 효율적인 기계는 없습니다. 모든 기계는 작동 중에 내부 마찰에 직면합니다. 이 마찰로 인해 기계가 약간의 열을 발산하므로 외부가 더 뜨거울수록 기계도 더 뜨거워집니다.

리튬 이온 배터리가 장착된 휴대폰 및 유사한 장치는 화씨 95도(섭씨 35도) 이상의 기후에서 작동할 때 작동이 중지됩니다. 이는 과열과 전자 장치에 대한 스트레스 증가를 방지하기 위한 것입니다.

혁신적인 상변화 유체를 사용하는 냉각 설계는 기계를 시원하게 유지하는 데 도움이 되지만 대부분의 경우 열은 궁극적으로 공기 중으로 방출됩니다. 따라서 공기가 뜨거울수록 기계가 효율적으로 작동할 수 있을 만큼 시원하게 유지하는 것이 더 어려워집니다.

또한 기계가 서로 가까울수록 주변 지역에서 더 많은 열이 방출됩니다.

날씨나 기계에서 방출되는 과도한 열로 인해 온도가 높아지면 기계의 재료가 변형될 수 있습니다. 이를 이해하려면 분자 수준에서 온도가 무엇을 의미하는지 생각해 보세요.

분자 규모에서 온도는 분자가 얼마나 많이 진동하는지를 측정하는 것입니다. 따라서 날씨가 뜨거울수록 공기부터 땅, 기계의 재료까지 모든 것을 구성하는 분자가 더 많이 진동합니다.

금속을 가열하면 금속 안의 분자가 더 빨리 진동하고 그 사이의 공간이 더 멀어집니다. 이로 인해 금속이 팽창합니다.

온도가 올라가고 분자가 더 많이 진동할수록 분자 사이의 평균 공간이 커지고 대부분의 물질은 가열되면서 팽창하게 됩니다. 도로는 이를 볼 수 있는 한 장소입니다. 뜨거운 콘크리트가 팽창하고 수축되며 결국 균열이 발생합니다. 이러한 현상은 기계에도 발생할 수 있으며 열 응력은 문제의 시작일 뿐입니다.

높은 온도는 자동차 엔진의 오일 작동 방식을 변화시켜 잠재적인 엔진 고장을 초래할 수도 있습니다. 예를 들어 폭염으로 인해 평소보다 화씨 30도(섭씨 16.7도) 더 뜨거워지면 일반적인 자동차 엔진 오일의 점도(또는 두께)가 3배로 변할 수 있습니다.

엔진 오일과 같은 유체는 가열되면 얇아지므로 너무 뜨거워지면 오일이 적절하게 윤활하고 마모 증가로부터 엔진 부품을 보호할 만큼 두꺼워지지 않을 수 있습니다.

또한 더운 날에는 타이어 내부의 공기가 팽창하여 타이어 공기압이 증가하여 마모가 증가하고 미끄러질 위험이 커질 수 있습니다.

비행기는 또한 극한의 온도에서 이륙하도록 설계되지 않았습니다. 외부가 더워지면 공기가 팽창하기 시작하고 이전보다 더 많은 공간을 차지하여 얇아지거나 밀도가 낮아집니다. 이러한 공기 밀도 감소로 인해 비행기가 비행 중에 지탱할 수 있는 무게가 감소하여 심각한 여행 지연이나 항공편 취소가 발생할 수 있습니다.

일반적으로 휴대폰, 개인용 컴퓨터, 데이터 센터와 같은 장치에 포함된 전자 장치는 모두 온도 변화에 다르게 반응하는 다양한 종류의 재료로 구성됩니다. 이 재료들은 모두 좁은 공간에 나란히 위치해 있습니다. 따라서 온도가 상승함에 따라 다양한 종류의 재료가 다르게 변형되어 잠재적으로 조기 마모 및 고장으로 이어질 수 있습니다.

자동차 및 일반 전자제품의 리튬 이온 배터리는 작동 온도가 높을수록 성능이 더 빨리 저하됩니다. 이는 온도가 높을수록 배터리의 리튬을 고갈시키는 부식 반응을 포함하여 배터리 내부의 반응 속도가 증가하기 때문입니다. 이 프로세스는 저장 용량을 소모합니다. 최근 연구에 따르면 전기 자동차는 화씨 90도 날씨에 지속적으로 노출되면 주행 거리가 약 20% 감소할 수 있습니다.