풍선이 손난로로 변신!? 늘리면 따뜻해지고 줄어들면 차가워지는 ‘고무와 열’의 신비한 관계
사이언스트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험입니다.
풍선을 “쭈우욱!” 늘리기만 해도 볼이 따뜻해집니다. 그런데 이번에는 힘을 빼고 원래대로 줄이면 시원하게 차가워집니다. 준비물은 풍선 하나뿐. 단 하나의 풍선만으로도 ‘열역학’의 세계를 직접 체험할 수 있습니다.
얼마 전 대학 열역학 수업에서 이 실험을 해 보았는데, 어른들조차 “오!” 하고 감탄할 만큼 흥미로운 반응을 보였습니다. 오늘은 이 신기한 ‘고무와 열’의 관계를 소개해 보겠습니다.
과학 레시피 (풍선으로 온도를 느껴 보자)
준비물 : 풍선 (100엔 숍 제품이면 충분합니다!)
먼저 가장 간단한 방법부터 해 보겠습니다.
방법① (늘렸다가 줄이기)
① 바람을 넣지 않은 풍선을 편안한 상태로 볼이나 입술처럼 피부가 민감한 부위에 대고 온도를 확인합니다.
② 그대로 볼에 댄 채 양손으로 풍선을 힘차게 “쭈우욱!” 잡아당깁니다.
③ 이번에는 늘어난 상태의 풍선을 볼에 댄 채 힘을 빼고 원래 상태로 돌아가게 합니다.
결과
어떠셨나요? ②에서 풍선을 잡아당길 때는 따뜻하게 느껴지고, ③에서 원래대로 돌아갈 때는 차갑게 느껴졌을 것입니다!
더 확실하게 느끼는 방법! 풍선을 부풀려 보자
위 방법만으로도 충분히 알 수 있지만, 온도 변화를 더욱 강하게 느끼고 싶다면 풍선을 부풀리는 방법을 추천합니다. 가족이나 친구의 볼을 빌려서 꼭 해 보세요.
방법② (부풀렸다가 줄이기)
① 아직 부풀리지 않은 풍선을 아이나 가족의 볼에 댑니다.
② 그대로 볼에 댄 채 “후우~!” 하고 빠르게 풍선을 부풉니다.
③ 풍선에 닿아 있는 볼이 어떻게 느껴지는지 물어보세요. 아마 “따뜻해!”라는 대답이 나올 것입니다.
④ 이번에는 부푼 풍선을 그대로 볼에 댄 채 안의 공기를 “쉬이익~” 빼 줍니다.
⑤ 점점 쪼그라드는 풍선에 닿아 있는 볼이 어떤 느낌인지 들어 보세요.
결과
이번에는 어떨까요? ②에서는 따뜻하고, ④에서는 놀랄 만큼 차갑게 느껴졌을 것입니다. 체감 효과가 정말 강력하니 꼭 한 번 해 보시길 추천합니다.
왜 그럴까? 고무 분자들의 ‘밀치락달치락’
두 실험의 원리는 같습니다. 실험 자체는 매우 간단하지만 사실은 열역학의 ‘단열 변화’라는 고등학교 물리 수준의 개념과 관련이 있습니다.
하지만 풍선 속 ‘고무 분자’의 입장이 되어 생각해 보면 훨씬 이해하기 쉽습니다.
풍선의 고무는 눈에 보이지 않는 수많은 고무 분자들이 사슬처럼 연결되어 자유롭게 움직이고 있는 상태입니다.
풍선을 늘릴 때 (따뜻해지는 이유)
우리가 풍선을 강제로 늘리면 자유롭게 움직이던 고무 분자들은 한 방향으로 정렬됩니다.
마치 넓은 공원에서 자유롭게 놀던 아이들이 갑자기 좁은 교실로 몰려가 서로 부딪치며 서 있어야 하는 상황과 비슷합니다.
답답해진 고무 분자들은 자신이 가진 에너지의 일부를 열의 형태로 밖으로 내보냅니다. 그래서 풍선이 따뜻해지는 것입니다.
풍선을 줄일 때 (차가워지는 이유)
반대로 정렬된 상태에서 힘을 빼면 고무 분자들은 다시 자유를 되찾습니다.
“좋아! 다시 마음껏 움직일 수 있어!”
분자들이 더욱 활발하게 움직이기 위해서는 에너지가 필요합니다. 그래서 주변으로부터 열에너지를 흡수하게 됩니다.
그 열을 어디서 가져올까요?
바로 풍선에 닿아 있는 우리의 볼입니다.
열을 빼앗긴 볼은 자연스럽게 “앗, 차가워!”라고 느끼게 되는 것이죠.
참고: 【KEK 에세이 #29】치코짱은 알고 있었다! 고무는 왜 원래대로 돌아갈까
이 현상의 이름은 ‘고프-줄 효과’
“고무를 빠르게 늘리면 따뜻해지고, 줄이면 차가워진다.”
이 현상에는 정식 명칭이 있습니다.
1805년 고프(Gough)가 발견하고, 이후 줄(Joule)이 자세히 연구한 덕분에 ‘고프-줄 효과(Gough–Joule Effect)’라고 불립니다.
고무를 이루는 폴리머 사슬은 원래 복잡하게 얽혀 있는 상태(엔트로피가 높은 상태)를 가장 선호합니다.
늘릴 때
폴리머 사슬을 억지로 정렬시켜 엔트로피를 감소시킵니다. 이때 가해진 일이 에너지로 방출되면서 열이 발생합니다.
줄일 때
사슬이 다시 무질서한 상태로 돌아가려고 합니다. 이 과정에서 주변으로부터 에너지를 흡수하므로 차가워집니다.
금속 스프링이 원래 길이로 돌아가려는 힘은 원자 사이의 전기적 인력에서 비롯되며 온도의 영향을 크게 받지 않습니다. 반면 고무의 탄성력은 엔트로피를 최대화하려는 통계적 힘에서 나오기 때문에 온도가 높을수록 더 강하게 수축하려고 합니다.
이것이 고무 탄성의 가장 큰 특징입니다.
또한 NGK 사이언스 사이트 「고무의 신기한 성질」에서는 고무를 가열하거나 냉각하는 실험도 소개하고 있습니다.
놀랍게도 고무는 따뜻하게 하면 오히려 줄어듭니다.
고무가 늘어난 상태에서는 분자들이 팔을 쭉 뻗은 것 같은 불편한 형태밖에 취할 수 없지만, 수축하면 훨씬 자유로운 형태를 가질 수 있습니다. 일반적으로 물질은 온도가 올라갈수록 자유도가 높은 상태를 선호하기 때문에, 늘어난 고무를 가열하면 수축하게 됩니다.
‘직접 느끼는 것’이 과학의 첫걸음
이처럼 현상 자체는 매우 흥미로운데 원리를 설명하려면 조금 어려운 경우가 과학에서는 흔합니다.
하지만 먼저 “어? 왜 이러지?”, “신기한데?”라고 직접 몸으로 느껴 보는 것이야말로 과학을 즐기는 최고의 출발점입니다.
풍선 하나만으로 열역학, 엔트로피, 심지어 미래의 냉각 기술 이야기까지 이어질 수 있습니다. 이것이 바로 과학의 매력입니다.
열화상 카메라로 관찰한 모습은 아래 글에서 확인해 보세요.
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