냉장고는 안을 차갑게 만드는 기계일까요? 문을 열면 서늘한 공기가 흘러나오니 그렇게 믿기 쉽지만, 사실 냉장고 안에는 ‘차가움’을 만들어내는 장치가 따로 없습니다. 냉장고가 하는 일은 오히려 정반대입니다. 내부에 있는 열을 붙잡아 억지로 바깥(부엌 공기 중)으로 퍼 나르는 것, 그것이 전부입니다.
평범해 보이는 상자 뒤편에는 이 ‘열 퍼 나르기’를 쉬지 않고 수행하는 압축기가 숨어 있습니다.
이 작업이 왜 특별한 일인지는 열역학 제2법칙을 보면 알 수 있습니다. 1850년 루돌프 클라우지우스가 정리한 이 법칙은 열은 외부에서 일을 가하지 않으면 저온에서 고온으로 자발적으로는 흐르지 않는다고 말합니다. 냉장고 내부(저온)의 열이 부엌(고온)으로 저절로 넘어가는 일은 자연 상태에서는 일어나지 않는다는 뜻입니다. 냉장고는 압축기가 전기 에너지로 바로 이 ‘일’을 가해, 자연스러운 흐름의 방향을 강제로 뒤집는 장치입니다.
이런 장치가 나오기 전에는 겨울에 채취한 얼음을 저장고에 날라 차가움을 얻었습니다.
압축식 냉동 기계가 등장하면서 이 얼음 무역은 서서히 자리를 내주게 됩니다.
압축기가 열을 퍼 나르는 구체적인 과정은 증기압축 냉동 사이클 네 단계로 설명됩니다.
첫째, 압축기가 저압의 기체 냉매를 압축해 고온·고압 기체로 만듭니다. 둘째, 이 뜨거운 기체는 응축기를 지나며 열을 실내나 냉장고 뒷면 코일로 방출하고 고압 액체로 상태를 바꿉니다. 셋째, 팽창밸브(모세관)를 통과하며 압력이 급격히 낮아져 저온·저압의 액체가 됩니다. 넷째, 이 차가운 액체 냉매는 증발기에서 냉장고 내부의 열을 흡수하며 저압 기체로 증발합니다 – 바로 이 흡열 과정이 냉장고 안이 차갑게 느껴지는 이유입니다. 기체가 된 냉매는 다시 압축기로 돌아가 같은 순환을 반복합니다.
이 과정의 핵심은 냉매가 단순히 온도만 오르내리는 게 아니라 액체와 기체 사이를 오가는 상변화, 즉 잠열을 반복해서 이용한다는 점입니다. 물 1kg의 비열은 약 4186 J/K인 반면, 같은 물 1kg을 액체에서 기체로 바꾸는 기화잠열은 약 226만 J(2.26×10^6 J)에 이릅니다 – 물 1kg을 기화시키는 에너지가 그 물을 약 540도만큼 데우는 에너지와 맞먹는 셈입니다. 온도 변화 없이 상변화만으로 이렇게 많은 열을 옮길 수 있기 때문에, 냉매는 증발기에서 적은 양으로도 효율적으로 열을 흡수합니다.
냉매의 역사 – 안전 해결, 그리고 예상 못 한 두 번째 반전
증기압축 방식 자체의 역사에도 여러 ‘최초’가 뒤섞여 있어 정리가 필요합니다. 1834년 제이컵 퍼킨스는 영국에서 폐쇄형 증기압축 냉동 사이클의 최초 특허를 받았지만, 이는 상업화되지 않은 시제품 수준이었습니다. 1859~60년대 페르디낭 카레의 암모니아 흡수식 냉동기는 제빙업 등에서 상업적으로 널리 쓰인 초기 사례였고, 1876년 카를 폰 린데는 개량 압축식 냉동기를 양조장 등 산업 현장에 신뢰성 있게 상업화했습니다. 가정용 전기냉장고로는 1913~14년 프레드 울프의 돔엘레(Domelre)가 초기 사례로 꼽히지만, 대중적 상업 성공을 거둔 최초의 가정용 냉장고는 1927년 출시된 제너럴일렉트릭 모니터탑으로, 1931년까지 100만 대 넘게 팔렸습니다.
문제는 이들 냉장고에 쓰인 냉매였습니다. 1920년대까지 가정용 냉장고는 암모니아·이산화황·염화메틸 같은 독성·가연성 냉매를 썼고, 실제로 누출 사망 사고가 있었습니다. 1929년 시카고에서는 냉장고의 염화메틸 누출로 한 가정이 목숨을 잃었습니다 – 이 사건은 훗날 JAMA에 실린 산업보건 보고서(Weinstein, 1937)에서도 다뤄졌습니다 – 이는 ‘누출 시 냄새가 나야 한다’는 조례로 이어졌습니다. 안전한 대체재를 찾던 제너럴모터스 산하 프리지데어·케터링 연구소에서 토머스 미즐리 주니어가 1928년경 무독성·불연성 냉매인 디클로로디플루오로메탄, 즉 프레온-12(CFC-12)를 개발했습니다. 1930년 미국화학회 학술대회에서 그는 이 가스를 직접 들이마신 뒤 촛불에 내뿜어 촛불을 끄는 방식으로 무독성·불연성을 공개 시연했습니다. 이 시점에는 오존층에 대한 영향이 전혀 알려지지 않았습니다.
그런데 반전이 있었습니다. 1974년 마리오 몰리나와 F. 셔우드 롤런드는 네이처 논문에서 CFC가 성층권에서 염소 원자에 의한 촉매 반응으로 오존을 파괴한다는 가설을 발표했습니다(이 공로로 파울 크뤼천과 함께 1995년 노벨화학상을 받았습니다). 1985년에는 영국남극조사단의 조 파먼·브라이언 가디너·조너선 섕클린이 남극 상공에서 실제 오존홀을 관측해 네이처에 보고했습니다.
이 발견은 1987년 몬트리올 의정서(CFC 단계적 퇴출)로 이어져 1989년 발효되었고, 지금은 197개국과 EU, 총 198개 당사자가 비준한 UN 역사상 최초의 보편적 비준 조약이 되었습니다.
그러나 오존층을 구하기 위해 CFC를 대체한 HCFC·HFC 냉매에는 또 다른 반전이 숨어 있었습니다. 오존파괴지수(ODP, CFC-11을 1로 두는 기준)를 보면 CFC-12는 약 1로 가장 높고, 과도기 냉매인 HCFC-22(클로로디플루오로메탄)는 약 0.05로 크게 낮으며, HFC-134a(1,1,1,2-테트라플루오로에탄)는 염소·브롬을 아예 포함하지 않아 사실상 0입니다. 하지만 지구온난화지수(GWP, 100년 기준·CO2를 1로 두는 기준)는 반대로 매우 높습니다. IPCC 4차 평가보고서(2007) 기준으로 CFC-12의 GWP는 약 10,900, HFC-134a는 약 1,430에 이릅니다 – 오존층은 지켰지만 온실가스 문제를 새로 만든 셈입니다. 이를 해결하기 위해 2016년 몬트리올 의정서에 키갈리 개정이 추가되어 HFC를 약 30년에 걸쳐 80% 넘게 단계적으로 감축하는 절차가 시작되었고, 최근에는 GWP가 4에 불과한 HFO-1234yf(2,3,3,3-테트라플루오로프로펜)나 3 수준인 이소부탄(R-600a) 같은 저온난화 냉매로 세대가 넘어가고 있습니다.
냉장고가 200년 가까이 발전해 온 과정을 돌아보면, 정작 창조물로 지목할 대상은 사람이 만든 기계가 아니라 그 기계가 이용하는 물리 법칙임을 알 수 있습니다. 열은 일을 가하지 않는 한 저온에서 고온으로 흐르지 않는다는 법칙, 그리고 상변화가 온도 변화보다 훨씬 많은 열을 옮긴다는 법칙은 냉장고보다 훨씬 오래전부터 자리 잡고 있었습니다. 인간은 시행착오를 거듭하며 이 법칙을 뒤늦게 발견하고, 그것을 이용하는 기계를 만드는 법을 배웠을 뿐입니다.
참고 자료
- Nuclear-Power.com – Clausius Statement of the Second Law of Thermodynamics
- Nature – Molina & Rowland (1974), Stratospheric sink for chlorofluoromethanes
- Nature – Farman, Gardiner & Shanklin (1985), Large losses of total ozone in Antarctica
- NobelPrize.org – The Nobel Prize in Chemistry 1995, Press Release
- UNEP Ozone Secretariat – The Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer
- UNEP Ozone Secretariat – The Kigali Amendment (2016)
- US EPA – Understanding Global Warming Potentials
- US EPA – HFO-1234yf Final Fact Sheet (SNAP)
- ASME – Perkins Vapor-Compression Cycle for Refrigeration (Historic Mechanical Engineering Landmark)
- JAMA (1937, Weinstein) – Methyl Chloride (Refrigerator) Gas Poisoning: An Industrial Hazard