의외의 태양 에너지

돌덩이가 태양 빛과 돋보기 만으로 녹을 수 있을까?

▲ 약 1평방 미터의 돋보기로 태양 빛을 모아 돌을 녹이고 있다. 과연 돌은 녹을까?

지구로 복사되는 태양에너지(통털어 전자기파)는  면적 1m x 1m 에  1Kw쯤이다. 의외로 큰 에너지다.  가령 저 돋보기의 면적을 1 제곱미터라고 하고  촛점 지점의 스폿의 크기가 2cm x 2cm라고 한다면  해당 부위에 대략 순시치 1Kw/s의 에너지가 집중되는 셈이다. 이를 1000J이라 할때  1000 x 0.24 = 240Cal가 매초당 촛점 부위에 인가된다.

만약 촛점부위에 25℃의 물 2cc(2cmx2cmx0.5cm )가 있다면 이 물을 100℃까지 올리는데 필요한 현열은 2x75 = 150cal,  돋보기로 복사되는 태양에너지는 240Cal/sec이므로 물은 1초도 안되어서 100℃까지 올라가게 된다.

물은 1기압일때 100℃에서 증기압이 대기압을 초과한다. 물의 경우는 특이하게도 잠열 549cal/g 을 추가 공급해야 100℃도의 수증기로 변하는데 셈하여 보면 수증기로 증발 할 때까지  총열량은 150 + 549x2 = 1248cal 이다.  즉 위 상태에서 2cc의 물은  5.2초 후에 수증기로 변해 눈앞에서 사라지게 된다.  

물은 비열이 큰 물질이다.  철의 약 2배 정도.  그래서 물에 열을 가하면 철보다 2배 느리게 온도가 올라간다. 같은 열량을 인가 했을때 철은 물보다 약 2배 빠르게 뜨거워진다. 

렌즈 밑에 얇은 철판을 놓고 몇 초 기다리면 벌겋게 녹는 장면을 볼 수 있다. 위의 사진 정도로 큰 돋보기를 태양을 향해 놓고 포커스를 물체에 예리하게 집중시키면 철이나 작은 돌조각 정도는 몇초 안되어 녹는다. 돋보기의 포커스 면적을 그와 동일한 면적의 전기로와  비교해 보면  (비교 면적 만으로는 ) 웬만한 전기로의 경우 보다 돋보기의 포커스 지점이 더 큰 열을 낸다.