입으로 바람 불 때 입을 벌린 크기에 따라 바람의 온도가 다르게 느껴지는 이유는?

다들 한 번쯤 하~하고 바람을 불면 입에서 뜨거운 바람이 나오는데 후~하고 바람을 불면 시원한 바람이 나온다는 것을 느껴보셨을 것입니다.

그런데 그 이유를 아는 분은 얼마 없으실 텐데요.

이번 포스팅에서는 그 이유를 한번 알아보려고 합니다.

그런데 그 이유를 알기 위해서는 열역학에 대한 기초적인 이해가 바탕이 되어야합니다.

왜냐하면 그 원리가 단열팽창이기 때문이죠.

그럼 본격적으로 원리를 알아보도록 해봅시다.

 

먼저, 열역학 제1법칙은 Q=ΔU+W입니다.

"가해준 열 = 내부에너지의 증가량 + 기체가 외부에 해준 일의 양"을 의미합니다.

물론 Q는 기체가 열을 방출할 때는 음수가 되고, 내부에너지가 감소하면 ΔU는 음수가 되고, 기체가 외부에서 일을 받으면 W는 음수가 됩니다.

기체가 외부에서 일을 받는다는 것은 부피가 줄어든다는 의미이고 외부에 일을 한다는 것은 부피가 증가한다는 것을 말합니다.

여기서 내부에너지란, 분자간의 인력에 의한 위치에너지와 분자 전체의 운동에너지의 합을 의미합니다.

단원자분자의 경우 내부에너지는 죠. (n:몰수, R: 기체상수, T:절대온도, P:압력, V:부피)

기체가 외부에 해준 일의 양 W=Δ(PV)로 나타냅니다.

압력은 변하지 않고 부피만 변하는 경우에는 W=PΔV로 나타내는데, 단열팽창이 이 경우입니다.

 

그래서, 기체의 순환과정에 대해서 알아봐야 하는데요.

등압과정, 등적과정, 등온과정, 단열과정이 있습니다.

그런데 이번 포스팅에서 알아볼 현상은 단열과정만 알면 되기 때문에 단열과정만 간단히 알아보고 다른 과정은 다음에 기회가 된다면 알아보도록 합시다.

단열팽창은 외부와의 열 교환 없이 부피가 팽창하는 현상입니다.

Q=ΔU+W에서 Q=0이기 때문에 W=-ΔU입니다.

즉 단열과정 중에 외부에 일을 한다면(+) 내부에너지(3/2nRT)는 감소(-)하여 온도가 감소하겠죠? (n과 R은 변하지 않으니까) : 단열팽창

 

그럼 이제 처음으로 돌아가서 입으로 바람을 불 때를 생각해봅시다.

입을 조금만 벌리고 바람을 불면 입안에 있던 공기가 갑자기 넓은 세상을 만나면서 순식간에 부피가 팽창하게 됩니다.

이것은 순식간에 일어나는 일이기 때문에 외부에 열 교환이 일어나지 않는다고 볼 수 있습니다. 즉 단열팽창 과정이죠.

입속에 있던 공기가 밖으로 나오면서 단열팽창을 하기 때문에 내부에너지가 감소하여 온도가 떨어지게 됩니다.

반면 입을 크게 벌리고 바람을 분다면 부피 팽창이 갑작스럽게 일어나지 않기 때문에 아무 변화 없이 우리 몸의 온기를 담은 공기가 밖으로 나오기 때문에 따뜻하게 느끼는 겁니다.

 

이런 사소한 일상 속의 현상에도 과학이 숨어져있었다는 것이 놀랍지 않나요?

그럼 오늘의 호기심! 이제 해결되었죠?ㅎㅎ

그럼 다음 포스팅에서 봅시다~