하늘의 구름과 똑같은 원리! 알코올과 페트병으로 단열팽창을 체험해보자
사이언스트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험입니다.
이번에는 단열 팽창에 관한 실험을 소개합니다. 집에서도 간단히 할 수 있는 실험이지만, 그 원리는 하늘에 떠 있는 구름이 만들어지는 과정과 완전히 같습니다. 준비물도 주변에서 쉽게 구할 수 있는 것뿐! 꼭 한번 해보세요.
준비물과 실험 방법
준비물은 빈 페트병, 소독용 알코올(한 번 분사할 정도), 신발 탈취 스프레이(Amazon) 단 세 가지입니다. 먼저 빈 페트병 안에 소독용 알코올을 한 번 뿌려 주세요. 병을 가볍게 흔들어 내부를 알코올 증기로 가득 채웁니다. 그다음 탈취 스프레이를 살짝 분사하고 바로 뚜껑을 닫습니다。
이제 준비 완료입니다. 그다음은 페트병을 힘껏 눌러 보기만 하면 됩니다.
아래 영상을 한번 보세요.
페트병을 누른 상태에서 손을 확 놓는 순간, 병 안이 갑자기 하얗게 흐려지는 것이 보이죠? 바로 이것이 ‘구름’입니다。
왜 구름이 생길까? — 단열 팽창의 원리
이 현상을 순서대로 살펴보겠습니다。
먼저 중요한 포인트는, 알코올을 넣고 병을 흔들어 병 안을 에탄올 증기로 충분히 채워 두는 것입니다. 이 시점에서 에탄올은 이미 기체 상태로 공기 중에 퍼져 있습니다。
그다음 페트병을 세게 누르면 내부 공기가 압축됩니다. 그러면 외부에서 힘을 받은 공기의 온도가 약간 상승합니다。 이것을 ‘단열 압축’이라고 합니다. 온도가 올라가면 에탄올이 기체로 변할 수 있는 양도 증가합니다。
그리고 손을 떼는 순간, 압축되어 있던 공기가 한꺼번에 팽창합니다. 이때 공기는 바깥쪽으로 일을 하면서 자신의 에너지를 사용하기 때문에 온도가 급격히 떨어집니다。 이것이 바로 ‘단열 팽창’입니다. 온도가 낮아지면 공기 중에 떠다니던 에탄올 증기가 다시 액체로 변하게 됩니다. 이렇게 생긴 수많은 미세한 액적이 빛을 산란시켜, 마치 하얀 구름처럼 보이는 것입니다。
왜 물이 아니라 알코올을 사용할까?
“그럼 물로도 가능한 거 아닌가?”라고 생각했다면 아주 좋은 질문입니다. 손으로 페트병을 누르는 정도로는 온도 변화가 매우 작기 때문에, 그 작은 변화만으로도 쉽게 기체량이 변하는 에탄올을 사용하는 것이 핵심입니다. 물만 사용하면 구름이 거의 보이지 않습니다。
탈취 스프레이에는 에탄올 증기가 액체로 변할 때 중심이 되어 주는 아주 작은 입자들이 들어 있습니다. 쉽게 말하면 구름방울이 달라붙을 ‘발판’을 만들어 주는 셈입니다. 실제 하늘의 구름도 공기 중의 먼지나 바닷소금 입자를 중심으로 만들어지는데, 원리는 완전히 같습니다。
하늘의 구름도 같은 방식으로 만들어진다
사실 하늘에 떠 있는 구름도, 이 페트병 안에서 일어난 현상과 똑같은 원리로 생깁니다. 지표면 근처의 공기가 태양열에 의해 데워지면 상승기류가 발생합니다. 높은 곳으로 올라갈수록 기압이 낮아지기 때문에, 상승한 공기는 팽창하면서 온도가 내려갑니다. 그러면 공기 중의 수증기가 액체로 변해 수많은 작은 물방울이 되고, 그것이 바로 우리가 보는 구름입니다。
하늘의 구름도, 페트병 속 구름도 모두 “팽창 → 냉각 → 액화”라는 같은 3단계로 만들어집니다. 손바닥만 한 페트병 안에서 하늘과 똑같은 현상이 일어난다는 사실이 참 신기하고 아름답지 않나요?
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