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페트병 에어컨의 진실 | 과학으로 포장된 집단 무지 2

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전에 올렸던 글에 추가하여 올리는 2편이다.
(1편 글 읽기)

앞의 글에서도 언급을 했듯이,
페트병 에어컨은 여러가지의 모순이 있다.

지난번엔 그냥 다 넘어가고 열역학적인 측면에서 맞는지 검증했으나,
이번엔 유체역학 측면에서는 맞는지를 과학적, 공학적으로 살펴보자.

페트병 에어컨의 경우 사실은 유체역학적으로 먼저 검증되어야 한다.
왜냐하면 이것이 말이 안되면 주장하는 조건 자체가 만들어지지 않기 때문이다.

검증하고자 하는 것은,
과연 바람이 좁은 곳을 지나면서 속도가 빨라지는가이다.
일반적으로 이 부분은 의심을 안 하기 쉽다.
왜냐하면 그냥 경험적, 상식적으로 맞는 것 같기 때문이다.

그런데 수도배관이나 가스관 같은 경우엔 맞는 얘기지만,
창문에 매달린 페트병엔 해당되지 않는다.

좁을 곳을 지나며 유속이 빨라지는 경우는,
입출구 압력차이로 인해 "쥐어 짜는" 현상이 생기기 때문이다.
누구가 다 알듯이 수도관 내의 압력은 대기압보다 매우 높다.
그렇기 때문에 좁은 통로로 방출하면 빠른 속도로 분출한다.

하지만 창밖에서 부는 바람은 완전히 다르다.
창밖과 실내의 주변 압력(정압이라고 함)은 같다.

그러므로 페트병과 같은 작은 통로는 바람 입장에서는 그냥 장애물이기 때문에,
속도가 빨라지기는커녕 줄어든다.
압력차와 같이 가속시킬 원동력(Driving Force라고 함)이 없기 때문이다.

그림으로 비교해 보자.

페트병 에어컨이라고 홍보하는 영상에서는 왼쪽 A의 예를 드는데,
실제 상황은 오른쪽의 B와 같은 상황이다.

이 둘은 완전히 다른 물리적인 상황이다.

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좀 더 구체적으로 두 경우의 압력(P)과 속도(V)의 크기를 표시하면 아래와 같다.

오른쪽 A는 두 지점의 압력(정압) 차이에 의해서 유체가 흐르게 된다.
그러므로 하류로 갈수록 정압은 감소하고,
유속은 단면적에 반비례한다.
즉, A와 같은 상황에서는 1-2 지점의 압력차가 크다면 줄-톰슨 효과에 의한 냉각 작용이 일어날 수 있다.

반면 왼쪽의 B는 어디서나 주변 압력(정압)이 같기 때문에,
유체(바람)는 그냥 가지고 있던 운동에너지에 의해서 흐른다.
그러므로 단면적이 줄면 오히려 바람이 흐르는 데 방해가 되기 때문에 속도가 감소한다.
즉, 페트병 에어컨의 작동 조건 자체가 형성되지 않는다.

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사실 지난번의 온도차 측정 때도 그렇지만,
이 정도는 실험으로 검증할 필요도 없다.

지난번처럼, 오히려 허접한 실험이라고 비난받기 쉽다.
그래도 내 글에 대한 일관성과 신뢰도 및 실행력을 고려하여 실험을 통해서 관찰해 보았다.

아래는 개인적으로 소장하고 있는 풍속계이다.
이것으로 페트병이 있을 때와 없을 때의 풍속을 측정해 보겠다.

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그런데 이거 생각보다 자리잡고 준비하기가 어렵다.
대단한 실험도 아닌데 큰 수고와 시간을 소비하는 것도 내키지 않아,
최소한의 재료와 노력으로 간단한 실험 도구를 만들었다.

아래와 같다.
의자 다리를 이용해서 지지대를 만들었다.
바람이 불면 자연스럽게 밀착 및 고정이 된다.
선풍기도 일반적인 크기는 이런 실험에 불편하므로 작은 것을 이용했다.
크기는 작지만 풍속은 일반 선풍기의 강풍과 크게 다르지 않다.

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즉, 아래와 같이 2L 페트병을 잘라서 설치하고,
페트병 출구(그렇다고 바람을 막을 정도로 가깝게 둔 것은 아님)에서 풍속계로 속도를 측정하고,
아무것도 움직이지 않은 그 상태에서 페트병이 달린 하드보드지만을 제거한 후 속도를 측정했다.

한편, 선풍기의 정중앙에선 오히려 풍속이 낮으므로,
높이 조절을 통해서 페트병으로는 풍속이 강한 바람이 향하도록 했다.

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결과는,


- 페트병 부착시의 페트병 출구 풍속 : 14.5~15.0 km/h
- 동일 위치에서 페트병과 하드보드지 제거 시의 풍속 : 17.0~17.5 km/h

위에서 설명, 예상한 것과 동일한 결과이다,
물론 측정에서의 불확실성과 오차 때문에 정량적으로 정확한 값이라고 보기 어려울지 모르나,
수차례 반복을 하여 측정을 해도 일관된 결과를 나타냈다.

페트병이 바람의 세기를 증가시키는 것이 아니고,
오히려 감소시키고 있다.

페트병 에어컨의 홍보 영상이나 언론 기사에서 설명하는 원리는 비과학적이다.

즉, 지난번 글에서는 이상적(ideal)으로 보았을 때,
페트병을 지나며 눈꼽의 눈꼽 만큼의 온도 저하가 생긴다고 했으나,
실제로는 그것마저도 일어나지 않을 것이다.

결국은 창문을 그냥 여는 것 보다 나을 게 없다.

* 이 글은 필자의 블로그에 실린 글입니다.