몸의 열을 식히기 위해 흘리는 땀의 과학

계절이 여름일 때, 혹은 운동하거나 힘든 일을 할 때 우리의 몸은 열을 식히기 위해 땀을 배출합니다. 땀이 증발하면서 열을 빼앗아 가기 때문인데요. 땀이 증발하면 왜 온도가 떨어지는 것일까요? 액체는 증발하면 왜 온도가 떨어져야 하는 것이며, 실제로 온도가 떨어질까요?

이에 대한 대답은 YES 이기도, NO이기도 합니다. 그래서 사람들은 사실과는 거의 상관없지만 널리 퍼져 있는 답을 계속해서 이야기하나 봅니다. 그것은 '증발은 냉각 과정이다'라는 것입니다.

땀샘이 약간의 소금과 여러 요소를 포함한 액체, 즉 땀을 피부 표면으로 배출하는 경우는 다음 세 가지 중 하나로 알려져 있습니다. 더울 때, 힘든 운동을 할 때, 곤란한 상황에 부닥쳐서 당황했을 때입니다. 그런데 사실 땀샘은 항상 기능을 발휘하고 있습니다. 날이 추울 때 또한 마찬가지입니다. 땀을 흘리는 것은 우리의 체온을 일정한 수준으로 유지하는 데 반드시 필요한 과정입니다. 우리가 생각하는 땀을 흘리는 상황에서는 증발하는 양보다 배출되는 양이 더 많아서 땀을 흘린다고 느끼게 되는 것입니다.

개들은 신기하게도 피부에 땀샘이 없지만 발바닥에만 땀샘이 있습니다. 그래서 더울 때 땀을 흘릴 수 없어서 혀를 내놓고 헥헥 거립니다. 이렇게 하면 침이 증발하면서 폐로 들어오는 공기가 냉각되기 때문인데요. 땀을 얼마나 흘리는가는 동물에 따라 다릅니다. 진흙탕에 구르는 돼지를 본 적 있나요? 돼지들은 땀을 많이 흘릴 때가 있어서 진흙탕에 구르면서 몸을 식히는 것입니다. 이것은 코끼리와 하마도 마찬가지입니다. 사람도 더우면 진흙탕이 아닌 샤워를 하거나 물에 들어가니까 크게 다른것은 아닙니다.

그런데 증발이라는 것은 정확히 무엇일까요? 증발은 액체 표면에 있는 분자들이 다른 형제 분자들과 이별하고 대기 중으로 날아가 버리는 과정입니다. 날아가는 분자가 늘어남에 따라 남아 있는 액체의 양은 줄어듭니다. 우리 일상생활에서 쉽게 볼 수 있는 증발현상은 설거지를 한 그릇의 물기가 마르고, 세탁물도 물이 마릅니다.

증발 속도를 높여야 할 필요가 있을 때 우리가 할 수 있는 것은 크게 두 가지가 있습니다. 가열하거나 바람을 일으키는 것입니다. 가열하면 액체의 분자들은 증발에 필요한 에너지를 더 많이 얻을 수 있습니다. 그래서 머리를 말릴 때 헤어드라이어를 사용하고, 공중화장실에서는 손을 말리기 위해 핸드 드라이어가 설치되어 있습니다. 드라이어로 바람을 일으키면 증발한 물 분자를 밀어내고 그 자리에 공기를 갖다 놓아 증발이 더 원활해집니다. 뜨거운 국물을 후후 불어서 식히는 것이 이런 원리가 적용되는 전형적인 예시입니다. 또한 방안이 충분히 따뜻하다고 해도 조금이라도 바깥의 차가운 바람이 들어오고 있으면 욕실에서 나왔을 때 갑자기 춥게 느껴지는 것도 같은 이유입니다.

우리가 땀이 나지 않는 손에 입으로 바람을 불면 시원하게 느껴집니다. 땀을 흘리지도 않고 사람의 숨은 따뜻한데도 왜 시원하게 느껴지는 것일까요?

땀을 흘리지는 않지만 우리의 피부에는 항상 소량의 수분이 존재합니다. 바람이 불면 소량의 수분도 빨리 증발합니다. 집 밖에 있을 때 바람이 불면 훨씬 더 시원하게 느껴집니다. 그래서 날씨 예보에서 바람 때문에 체감온도가 실제보다 훨씬 낮을 것이라고 알려줍니다. 이것은 바람의 냉각 효과를 고려한 것입니다. 우리가 이 냉각 효과를 제대로 느끼려면 완전히 옷을 다 벗어버려야 할 것입니다.

그러면, 물 분자가 표면에서 떨어지면 왜 남아 있는 액체의 온도가 떨어져서 결국 접촉하고 있는 물체의 온도가 떨어질까요? 증발은 매우 선택적인 과정으로, 움직임이 빠른 따뜻한 분자들이 먼저 날아가고 움직임이 느린 차가운 분자들이 뒤에 남아있게 됩니다. 액체 속의 분자들은 항상 움직이고 있습니다. 온도가 높아질수록 분자들의 운동은 빨라집니다. 물질 안에 있는 모든 분자 하나하나의 온도가 다른 게 아닙니다. 물질 안에 있는 모든 분자의 평균 운동에너지를 나타내는 척도를 온도라고 하는데, 여기서 중요한 것은 '평균'입니다. 왜냐하면 어떤 온도에서든 모든 분자가 다 똑같은 속도로 움직이는 것은 아니기 때문입니다. 다른 분자와 충돌한 분자는 빨리 움직입니다. 그런데 방금 충돌한 분자의 상대편 분자는 좀 더 느리게 움직입니다. 왜냐하면 부딪친 분자에게 에너지의 일부를 나누어주었기 때문입니다. 쉽게 생각해볼 수 있는 것은 당구에서 흰 공으로 다른 공을 때리면 흰 공의 속도는 급격하게 줄어들고 맞은 공은 빠르게 굴러가는데, 공 2개의 평균 에너지값은 같습니다.

액체의 표면에서 공기 중으로 나갈 가능성이 가장 큰 분자들은 에너지가 가장 많은 것들입니다. 이렇게 되면 남아 있는 분자들의 평균 에너지값, 즉 온도가 내려갑니다. 그래서 액체가 증발하면 차가워지는 것입니다.

그런데 여기서 끝나는 것이 아닙니다! 차가워지는 과정이 무한대로 계속되는 것은 아닙니다. 웅덩이의 물이 계속 증발해서 차가워진다고 해도 빙판이 되지는 못합니다. 액체가 증발해서 온도가 떨어지면 주변 환경과 온도의 차이가 생깁니다. 그러면 주변에서 열에너지가 몰려들어 에너지 갑이 높은 분자의 수를 원상태로 되돌려놓습니다. 그래서 일정한 온도가 유지되는 것입니다.

다시 원상태로 돌아온다고 하면 증발해도 차가운 상태를 유지하지 못한다는 것일텐데, 땀은 왜 증발해서 몸을 식히는 것일까요? 땀과 관련해서 식은 것을 보충할 열은 우리의 피부에서 옵니다. 증발이 진행되면서 땀의 층 자체는 크게 식을 사이가 없습니다. 왜냐하면 피부로부터 열을 얻어서 뜨거운 분자의 형태로 대기중에 내보내기 바쁘기 때문입니다. 그래서 땀은 피부가 열을 발산하는 것을 도와주는 연결다리일 뿐입니다.

액체가 증발하는 속도는 분자 같이 결합이 얼마나 강한지에 달려있습니다. 결합이 느슨한 액체라면 분자들은 더 쉽게 도망칠 수 있습니다. 빨리 증발한다는 뜻입니다. 어떤 액체들은 너무 빨리 증발해서 주변 환경이 열을 보충해 주는 속도가 냉각 속도를 따라가지 못하는 경우가 있습니다. 이럴 때는 정말 차갑다고 느낄 정도로 온도가 떨어집니다. 주로 휘발성이 강한 액체가 이에 속하는데요. 에틸알코올이 이러한 휘발성 액체 중 하나로 물보다 2배나 빨리 증발합니다. 그래서 알코올을 피부에 조금 발라보면 물보다 훨씬 시원하다고 느끼게 됩니다. 뜨거운 알코올의 분자가 워낙 빨리 달아나버리기 때문에 체온이 보충되기도 전에 식어버리는 것입니다.

염화에틸은 휘발성이 극히 강한 액체로, 염화에틸의 분자들은 어떻게 하면 날아갈 수 있을까만 생각하고 있습니다. 염화에틸은 물보다 100배 빨리 증발하기 때문에 이것을 피부에 바르면 너무 빨리 차가워져서 감각이 마비됩니다. 그래서 병원에서 의사들은 소규모의 피부 수술을 할 때 염화에틸을 국소마취제로 사용합니다.