CPU 수냉쿨러, 온수매트 물 보다 비열 낮은 액체는 뭐가 있을까?

한번 생각해 본게, CPU 수냉쿨러나 온수매트 같은 경우, 열을 빨리 내리거나 올릴 수 있도록 하면 좋을 것 같다는 생각을 했다.

 

물을 끓이는 데 드는 에너지는 잠열 또는 증발 잠열이라고 합니다. 물을 100℃로 가열해도 상태 변화가 일어나지 않다가, 추가로 에너지가 투입되어 물이 기체(수증기)로 변하는 과정에서 필요한 에너지를 잠열이라고 부릅니다. 물의 경우 이 증발 잠열은 상당히 큰 값입니다.

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물은 비열이 높은 물질로, 1g의 물을 1℃ 올리기 위해 필요한 에너지는 약 4.18 J입니다. 물을 100℃까지 가열하려면 1g의 물에 약 418 J의 열량이 필요합니다.

다른 액체들과 비교하면, 비열이 낮은 물질들은 물보다 적은 열량으로 같은 온도 상승을 달성할 수 있습니다. 대표적으로는 에탄올(알코올), 메탄올, 벤젠 등이 있습니다. 이들 액체의 비열을 기준으로 비교해 보면 다음과 같습니다:

• 물: 4.18 J/g·℃ (100으로 설정)
• 에탄올(알코올): 2.44 J/g·℃
• 메탄올: 2.53 J/g·℃
• 벤젠: 1.74 J/g·℃

이를 기준으로, 물을 100이라고 할 때 에탄올, 메탄올, 벤젠의 비율을 구해보면:

• 에탄올: (2.44 / 4.18) * 100 ≈ 58.37
• 메탄올: (2.53 / 4.18) * 100 ≈ 60.53
• 벤젠: (1.74 / 4.18) * 100 ≈ 41.63

즉, 에탄올은 물의 약 58%, 메탄올은 약 61%, 벤젠은 약 42%의 열량만으로 100℃까지 가열할 수 있습니다.

이러한 차이로 인해 물은 같은 온도 변화에 대해 더 많은 열을 필요로 하는 반면, 다른 액체들은 상대적으로 적은 열로 가열할 수 있습니다.

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하지만, 휘발성 있고 누수되었을 때 우리에게 해가 되는 물질은 사용하기 곤란하겠죠? 휘발성 없는 것으로 다시 생각해보면

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휘발성이 없는 액체 중에서 물보다 작은 비열을 가지는 물질을 찾으려면, 일반적으로 금속이나 비휘발성 액체를 생각해볼 수 있습니다. 몇 가지 대표적인 비휘발성 액체의 비열을 물과 비교해보면 다음과 같습니다.

1. 글리세린 (Glycerol): 2.43 J/g·℃ (약 58%)
   • 글리세린은 점성이 강한 비휘발성 액체입니다.
2. 에틸렌 글리콜 (Ethylene Glycol): 2.38 J/g·℃ (약 57%)
   • 에틸렌 글리콜은 주로 냉각수에 사용되며, 비휘발성입니다.

이 두 물질은 물보다 비열이 낮고, 따라서 같은 온도(예: 100℃)까지 가열하는 데 물보다 적은 열량이 필요합니다. 물에 비해 각각 약 58%와 57% 정도의 열량만으로 가열할 수 있습니다.

즉, 물을 100으로 했을 때 글리세린과 에틸렌 글리콜은 각각 약 **58%**와 **57%**의 열량으로 동일한 온도에 도달할 수 있습니다.

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다시 정리해보면, 매개체를 물 대신 사용하여 컴퓨터의 수냉 방식이나 온수매트의 효율을 올리는 방법은 이렇습니다.

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컴퓨터의 수냉 방식이나 온수매트의 내용물로 물을 대체할 수 있는 물질을 고려할 때, 더 나은 효율을 제공하는 물질을 찾기 위해서는 비열, 열전도율, 점도, 안정성을 종합적으로 고려해야 합니다. 물은 비열이 높아 열을 많이 흡수할 수 있지만, 다른 물질들이 더 높은 열전도율이나 낮은 점도를 가질 수 있어 더 효율적일 수 있습니다.

다음은 물을 대체할 수 있는 대표적인 냉각 및 난방 시스템에 적합한 물질들입니다:

1. 에틸렌 글리콜 (Ethylene Glycol)

• 비열: 2.38 J/g·℃
• 장점: 널리 사용되는 냉각수 첨가제로, 냉각 효율이 높고 동결 방지 특성이 있어 낮은 온도에서도 효과적입니다. 수냉 시스템에서 자주 물과 혼합해 사용됩니다.
• 단점: 물보다 열용량은 적지만 동결 방지 기능이 탁월합니다.
• 응용: 컴퓨터 수냉 시스템에서 물과 혼합하여 사용되거나 독립적으로도 사용됩니다. 온수매트에도 적용 가능하며, 추운 환경에서 얼지 않도록 보호할 수 있습니다.

2. 프로필렌 글리콜 (Propylene Glycol)

• 비열: 2.43 J/g·℃
• 장점: 에틸렌 글리콜과 유사하나, 더 환경 친화적이며 인체에 덜 해로운 특성을 가집니다. 식품, 의약품에도 사용할 수 있어 안전성이 높습니다.
• 단점: 물보다 비열이 낮아 약간의 냉각 효율 저하가 있을 수 있습니다.
• 응용: 온수매트, 냉각수 시스템에서 동결 방지를 위해 물과 혼합해 사용합니다.

3. 글리세린 (Glycerol)

• 비열: 2.43 J/g·℃
• 장점: 비휘발성, 높은 점도를 가지며 환경에 안전합니다. 물보다 높은 끓는점을 가지고 있어 고온에서도 안정적입니다.
• 단점: 점도가 높아 시스템 내부에서의 흐름 저항이 커질 수 있습니다.
• 응용: 글리세린은 온수매트나 수냉 시스템에서 사용되지만 점도가 높은 것이 문제일 수 있으므로 혼합하여 사용해야 합니다.

4. 변압기유 (Transformer Oil)

• 비열: 약 1.67 J/g·℃
• 장점: 높은 열전도율과 절연 성질로 인해 전기 장비 냉각에 자주 사용됩니다. 물보다 열전도율이 높아 열을 빠르게 전달할 수 있습니다.
• 단점: 비열이 낮아 물보다 열을 덜 저장할 수 있으며, 점도가 높은 경우가 많아 수냉 시스템에서 흐름 저항이 증가할 수 있습니다.
• 응용: 변압기유는 주로 전기 장비에 사용되지만, 컴퓨터의 수냉 시스템에서 극한 상황에서 사용될 수 있습니다.

5. 액체 금속 (Liquid Metal, 예: 갈륨 합금)

• 비열: 매우 낮음 (~0.37 J/g·℃)
• 장점: 열전도율이 매우 높아 매우 빠르게 열을 전달할 수 있습니다. 따라서 냉각 효율이 뛰어납니다.
• 단점: 액체 금속은 매우 비싸며, 특히 갈륨 합금은 알루미늄과 같은 금속에 부식성을 띠기 때문에 특별한 재료가 필요합니다.
• 응용: 수냉 시스템에서는 주로 쓰이지 않으나, CPU와 같은 고성능 부품에 직접적인 냉각재로 사용할 수 있습니다.

효율적인 대체물 선정 기준:

• 에틸렌 글리콜과 프로필렌 글리콜은 물보다 낮은 비열을 가지지만 동결 방지와 함께 우수한 냉각 성능을 제공합니다. 특히 낮은 온도에서도 효율적으로 사용할 수 있어 온수매트와 수냉 시스템에서 물을 대체할 수 있습니다.
• 액체 금속은 최고의 열전도율을 제공하지만 매우 비싸고, 수냉 시스템에서 광범위하게 사용되지는 않습니다.

결론:

• 컴퓨터 수냉 시스템에서는 에틸렌 글리콜과 프로필렌 글리콜 혼합물이 가장 일반적으로 사용되며, 물보다 더 안정적이고 효율적인 냉각을 제공합니다.
• 온수매트에서는 프로필렌 글리콜이 더 안전한 선택입니다.

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하지만 온수 매트는 열을 잡고 있어야 하는데 잠열은 어떻게 될까?

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물, 프로필렌 글리콜, 글리세린, 변압기유, 그리고 갈륨 합금의 비열 및 증발 잠열을 비교할 때, 이들의 열 특성을 바탕으로 물과 대비한 효율을 이해할 수 있습니다. 물은 열 용량이 매우 큰 물질로, 비열과 증발 잠열이 다른 물질에 비해 높은 편입니다. 이를 바탕으로 비교해보겠습니다.

1. 물 (Water)

• 비열: 4.18 J/g·℃
• 증발 잠열: 약 2260 J/g (섭씨 100도에서 기화할 때)
  • 물은 비열과 증발 잠열 모두 매우 높아 많은 열을 흡수할 수 있습니다. 이는 냉각 용액으로 탁월한 특성입니다.

2. 프로필렌 글리콜 (Propylene Glycol)

• 비열: 2.43 J/g·℃
• 증발 잠열: 약 725 J/g
  • 프로필렌 글리콜은 물에 비해 비열과 증발 잠열이 모두 낮습니다. 이는 같은 양의 열을 저장하는 데 물보다 덜 효율적일 수 있음을 의미하지만, 동결 방지와 같은 다른 특성 때문에 냉각재로 유용합니다.

3. 글리세린 (Glycerin)

• 비열: 2.43 J/g·℃
• 증발 잠열: 약 900 J/g
  • 글리세린의 비열과 증발 잠열은 프로필렌 글리콜과 비슷하며, 물보다 적은 열을 저장할 수 있습니다. 다만, 끓는점이 높아 고온에서 더 안정적일 수 있습니다.

4. 변압기유 (Transformer Oil)

• 비열: 약 1.67 J/g·℃
• 증발 잠열: 변압기유의 증발 잠열은 명확하게 정해진 값이 없으며, 변압기유는 주로 증발되지 않고 높은 온도에서도 안정성을 유지하는 특성이 중요합니다.
  • 변압기유는 비열이 낮아 물보다 적은 열을 흡수하지만, 고온 안정성이 우수해 장시간 고온을 견딜 수 있습니다. 따라서 냉각 시스템보다는 절연 및 열전달 매체로 유리합니다.

5. 갈륨 합금 (Gallium Alloy)

• 비열: 약 0.37 J/g·℃
• 증발 잠열: 갈륨은 매우 낮은 비열을 가지며, 증발 온도가 매우 높아 증발 잠열은 상대적으로 잘 알려져 있지 않습니다. 액체 금속인 갈륨은 매우 높은 온도에서 증발하기 때문에 실용적인 증발 잠열 값은 제공되지 않습니다.
  • 갈륨 합금은 열전도율이 매우 높고 비열은 매우 낮아서 빠르게 열을 전달할 수 있지만, 열 저장 능력은 매우 제한적입니다.

물질비열 (J/g·℃)증발 잠열 (J/g)특성 요약

물질	비열 (J/g·℃)	증발 잠열 (J/g)	특성 요약
물 (Water)	4.18	2260	비열과 증발 잠열 모두 높아 냉각재로 매우 우수함.
프로필렌 글리콜	2.43	725	비열과 증발 잠열이 물보다 낮지만 동결 방지 효과가 뛰어남.
글리세린	2.43	900	물보다 낮은 비열, 고온에서 안정적.
변압기유	1.67	명확하지 않음	낮은 비열과 높은 온도 안정성을 가짐, 냉각보다는 열전달 및 절연에 유리.
갈륨 합금	0.37	명확하지 않음	매우 낮은 비열과 높은 열전도율로 빠르게 열을 전달, 열 저장 능력은 매우 적음.

결론

• 물은 높은 비열과 증발 잠열로 열을 가장 많이 저장하고 흡수할 수 있기 때문에 냉각재로는 매우 효과적입니다.
• 프로필렌 글리콜과 글리세린은 물보다 적은 열을 저장할 수 있지만, 물이 얼 수 있는 환경에서 동결 방지를 위해 유리합니다.
• 변압기유는 고온에서 증발하지 않고 안정성을 유지하는 특징이 있어 열전달이나 절연 목적으로 적합합니다.
• 갈륨 합금은 열전도율이 매우 높고 비열이 낮아 매우 빠르게 열을 전달하는 데 유리하지만, 열 저장 용량은 매우 적습니다.

따라서, 냉각 시스템에서는 물이나 물과 글리콜의 혼합물이 여전히 효율적인 선택일 수 있습니다.

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컴퓨터 CPU 수냉 쿨러에는 물, 글리콜, 물과 글리콘 혼합으로 효율을 볼 수 있지만,

온수매트 같이 열을 잡고 있으려면 물이 젤 적당하겠음.

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참고로, 전자담배 액상을 제조할 때 사용 하기도 하는데 도 프로필렌 글리콜(식품용) 은

전자담배 액상 제조 시 들어가는 주 성분이기도 합니다.

프로필렌 클리콜(PG) 32mg (비율 6) + 

식물성 글리세린 VG   24mg (비율 4) +

첨가 향                       10mg +

니코틴(선택사항)  적당히

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이상 생각 정리 였습니다. 실제 사용하려니, 나의 실험 대상이 없네요.