단열팽창 단열압축

30년독자 2023.08.23 17:28 조회 수 : 9858

단열팽창으로 열에너지가 운동에너지로 변해


이 질문의 답을 알기 위해서는 우선 단열팽창에 대한 이해가 필요하다. 단열팽창이란 외부와 열 교환이 없이 물체의 부피가 늘어나는 현상이다. 이때 부피가 팽창하게 되면서 그 안에 있는 기체 분자는 활동할 수 있는 공간이 넓어지게 된다. 따라서 기체 분자들은 더 많은 활동을 하게 되면서 자신이 갖고 있던 열에너지를 운동에너지로 소비하고, 결국 온도가 낮아지게 된다.
우리가 뜨거운 음식을 먹을 때도 마찬가지이다. 입김을 ‘후’하게 불면 입 밖으로 나온 공기들의 부피는 팽창하게 된다. 즉 단열팽창으로 입속에 있던 열에너지가 운동에너지로 변하게 되면서 온도가 내려가고 공기가 차가워져서 뜨거운 음식에 유입되게 된다.
단열팽창의 예는 일상생활에서도 어렵지 않게 찾아볼 수 있다. 그 중 간단한 예가 스프레이다. 스프레이를 뿌리고 나면 스프레이 통이 차가워지는 것을 쉽게 알 수 있다. 이는 휴대용 가스버너를 사용할 때도 관찰할 수 있다. 요리를 하고 있는 가스버너에서는 열기가 올라와 뜨겁다. 그러나 아무리 여름이라 할지라도 부탄가스의 겉면은 이슬이 맺혀 있고 온도도 차다. 
그 이유는 아주 급격하게 단열팽창이 일어나기 때문이다. 즉 액체 상태의 부탄가스가 기체 상태로 배출되면서 엄청난 부피 팽창이 빠르게 일어난다. 이때 가스가 나오는 입구는 몇 초 만에 영하로 온도가 떨어지고, 금속인 가스통으로 열전달이 바로 이루어져 가스통 전체가 시원해지는 것이다.


단열팽창으로 구름이 생성



구름도 단열팽창의 원리가 적용돼 나타나는 현상이다. 우선 구름이 생성되기 위해서는 상승기류가 있어야 한다. 보통 상승기류는 저기압이 생성될 때, 지표면에 있던 더운 공기가 산맥을 만나 타고 올라갈 때 등 여러 가지 이유로 발생하게 된다. 여하튼 더워진 공기는 상승하면서 낮은 기압을 만나게 되면 열에너지가 운동에너지로 전환되고, 공기가 이슬점 이하로 떨어지면서 응결하게 된다. 이것이 바로 구름이다.
이런 단열팽창을 몸으로 직접 경험할 수 있는 가장 좋은 방법은 등산이다. 정상으로 올라갈수록 기온이 내려가는 이유가 바로 이 때문이다. 반대로 산을 내려오면 따뜻해지는데 이는 단열압축에 의한 것이다. 단열압축은 단열팽창과 반대로 압력이 높아져 운동에너지가 열에너지로 변화하는 것을 말한다.



고기압 주변에 날씨가 맑은 이유는 단열압축 때문



단열압축의 예 또한 우리 주변에서 쉽게 찾아볼 수 있다. 우리는 일기예보에서  ‘고기압의 영향으로 화창한 날씨가 이어지겠다’라는 멘트를 종종 듣는다. 이 고기압은 주변보다 공기가 무겁기 때문에 하강 기류가 발달하게 된다. 이때 공기가 하강하게 되면 주변의 기압이 높아지고 부피는  작아진다. 그 결과 주변 온도는 상승하게 된다. 만약 하강하는 공기에 구름이 있었다면 기온이 이슬점보다 높아지게 되므로 구름도 사라지게 된다. 따라서 고기압인 곳은 구름 없는 맑은 날씨가 나타나게  된다.
펌프로 공기를 타이어 속에 넣을 때도 단열압축이 이루어진다. 타이어 속에 열이 출입할 여유가 없을 정도로 갑자기 압축을 하면 온도가 올라간다. 바깥부분의 두꺼운 타이어 안에 있는 튜브를 손으로 잡아보면 따뜻해지는 것을 알 수 있다.

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