단열 팽창과 단열 압축에 대한 이해

중고등학교 교과에 간혹 등장하는 단열팽창과 단열압축에 대한 개념은 열역학까지 가지 않더라도, 간단하게 이해할 필요가 있어서 정리를 해봅니다.

 

일단 기본적으로 단열(heat/thermal insulation)이라는 것은 우리가 흔히 단열재라는 표현에서도 알 수 있듯이 열의 이동을 차단하는 것을 뜻합니다. 내외부 온도 차이가 있을 때 열이 외부로 빠져나가지 못하게 하거나 열이 외부에서 내부로 들어오지 못하게 하는 거죠. 사실 과학에서는, 물리나 화학에서는 이렇게 열의 교환이 없는 경우, 열의 이동이 없는 경우에 insulation이라는 단어를 사용하지 않고 adiabatic이라는 단어를 사용한다는 것을 알아두면 됩니다. 즉 adiabatic process가 단열 공정이 됩니다.

 

다시 돌아와서, 그러면 단열 팽창과 단열 압축이라는 것은 쉽게 열의 이동, 열의 교환이 없는 상태에서 팽창하고 압축하는 것을 일컫는다는 것을 쉽게 짐작할 수 있을 것입니다. 구름의 생성 과정에 대한 내용에서 등장하는 단열 팽창과 단열 압축은 아래와 같이 설명할 수 있습니다.

 

• 단열 팽창 (adiabatic expansion) : 상승하는 공기 주변으로 압력이 낮아지므로 부피가 팽창하고 기온이 하강하죠. 부피가 팽창하는데 사용되는 에너지를 내부에너지로부터 사용하므로 온도가 내려갑니다. 구름이 생성되는 원리가 됩니다.
• 단열 압축 (adiabatic compression) : 하강하는 공기 주변으로 압력이 높아지므로 부피가 감소하고 기온이 상승

 

아래의 이미지를 한번 보시죠. 공기가 상승하면서 팽창하고 온도가 하강합니다. 반대로 공기가 하강하면서 압축되고 온도가 상승되죠. 건조한 공기 상태에서 대략 1,000m당 10℃의 온도 변화를 나타내는군요.

공기의 상승과 하강에 따른 부피 변화와 온도 변화, 이미지 출처: pressbooks-dev.oer.hawaii.edu

 

추운 날 입김을 불 때 '하~'하고 불게 되고, 뜨거운 음식을 식힐 때는 '호~'하고 불게 되죠. 입을 작게 오므린 상태에서 입김을 불면 공기가 좁은 입을 통과하면서 단열 팽창을 하게 되고 온도가 내려간 차가운 바람이 되기 때문에 음식을 식힐 수가 있습니다. 반면에 입을 벌리고 '하~'하고 불면 체온과 비슷한 온도의 입김이 나가게 되죠.

 

정리하자면 단열 팽창의 경우에 쉽게 설명을 한다면 부피가 팽창하는데 에너지가 사용되었기 때문에 온도가 낮아진다고 이해를 하면 됩니다. 그리고, 구름이 생성되는 원리는 상승하는 공기가 단열 팽창을 하게 되면 기온이 낮아지고 이슬점에 도달하여 응결이 발생, 물방울이나 빙정이라 불리는 얼음알갱이가 모이게 되는 것으로 쉽게 생각해 볼 수 있습니다.