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공중 결혼식 - 열기구와 기체의 성질 목록

조회 : 5339 | 2011-06-07






2009년 말레이시아에서 열린 열기구 축제 (cc) by ericlbc





며칠 전 중국의 한 도시에서는 특별한 결혼식이 열렸습니다. 무려 30쌍의 신랑․신부가 알록달록 예쁜 열기구를 타고 하늘로 날아올라가 결혼을 한 것입니다. 요즘은 우리나라에서도 관광지 등에서 드물지 않게 열기구를 보거나 직접 타볼 수도 있지만, 열기구를 탄 채 하늘에서 거행하는 결혼식은 여전히 특별한 일입니다. 얼핏 보면 열기구는 그저 커다란 헬륨 풍선처럼 보이기도 합니다. 헬륨 풍선도 하늘로 떠오르지만 그 이유는 헬륨이라는 물질의 특성 때문입니다. 그와 달리 열기구에는 특별할 것 없는 공기가 들어 있을 뿐입니다. 열기구와 헬륨 풍선에는 비슷하면서도 다른 원리가 숨어 있습니다. 이번 주에는 열기구에 숨어 있는 기체의 성질에 대해 알아보겠습니다.




*알아보기*
- 열기구의 역사
- 열기구의 원리: 기체의 성질
- 샤를의 법칙, 보일의 법칙




*관련 단원*
- 액체와 기체 (초등학교 3학년 과학 1학기)
- 여러 가지 기체 (초등학교 6학년 과학 1학기)
- 연소와 소화 (초등학교 6학년 과학 1학기)
- 물질의 세 가지 상태 (중학교 1학년 과학 1학기)
- 분자의 운동 (중학교 1학년 과학 1학기)




열기구의 역사
지금은 비행기를 타고 세상의 여러 나라를 여행하는 것이 당연한 일이 되었지만, 라이트 형제가 세계 최초의 비행기를 발명한 것은 1903년의 일입니다. 다시 말해서 비행기의 역사는 백 년을 조금 넘었을 뿐이라는 것입니다. 사람들은 아주 오래 전부터 하늘을 나는 것을 꿈꾸었습니다. 비행기가 없던 시절부터 사람들은 하늘을 날기 위해 여러 가지 시도를 계속해왔습니다. 비록 비행기만큼 많은 사람을 싣고 먼 거리를 날 수는 없지만 열기구는 비행기보다 앞선 역사를 가지고 있습니다. 프랑스 작가 쥘 베른의 소설에서 주인공은 열기구를 타고 세계 여행을 합니다. 1873년에 발표된 <80일 간의 세계 일주>가 바로 그 소설입니다. 그 당시만 해도 아직 비행기가 발명되기 전이기 때문에 열기구를 타고 세계 일주를 한다는 것은 신기하고 꿈같은 이야기였습니다. 하지만 열기구의 역사는 이보다 오래 전인 1783년으로 거슬러 올라갑니다. 세계 최초로 열기구를 만들어 비행을 성공시킨 사람들은 프랑스의 몽골피에 형제입니다. 1783년 6월에 몽골피에 형제는 지름 10m 정도의 커다란 종이 기구에 뜨거운 연기를 불어 넣음으로써 기구를 거의 200m 상공까지 띄우는 데 성공했습니다. 그 이후 오리나 닭 같은 동물을 기구에 태워 띄운 실험에 성공한 몽골피에 형제는 그 해 11월 마침내 사람을 태운 유인열기구의 비행 실험을 공개합니다. 루이 16세가 지켜보는 가운데 열기구에 탑승한 물리학자 로제와 다란드는 무려 25분 동안 파리 상공을 비행했다고 합니다. 이것이 바로 인류 최초의 비행이라는 역사적인 사건입니다.










몽골피에 형제의 열기구 발명을 기념하는 우표 (사진 - http://www.wikipedia.org)




열기구의 원리: 기체의 성질
그렇다면 열기구가 비행하는 원리는 무엇일까요? 몽골피에 형제는 왜 기구에 뜨거운 연기를 불어 넣었을까요? 거기엔 기체의 성질에 의한 과학적 원리가 숨어 있습니다. 몽골피에 형제는 하늘로 올라가는 연기를 보고 영감을 얻었다고 합니다. 현대식 열기구에서는 뜨거운 연기를 채워 넣는 대신 연료를 연소시켜 얻는 열로 공기를 데우는데, 둘 다 원리는 같습니다. 공기는 눈에 보이지 않지만 여러 가지 기체로 이루어져 있습니다. 물질이 기체 상태로 있을 때는 액체나 고체 상태일 때보다 훨씬 활발하게 운동할 수 있고 알갱이들 사이의 평균 거리도 길기 때문에 빈 공간이 많습니다. 기체는 일정한 모양과 일정한 부피를 갖지 않습니다.

참조 - 따끈따끈과학 95. 물질의 상태 변화

그렇기 때문에 단순하게 부피만 이야기해서는 기체가 얼마나 있는지 알 수 없습니다. 기체의 부피는 압력과 온도에 따라 달라지므로, 기체의 양을 이야기할 때는 언제나 압력과 부피를 함께 이야기해야 합니다.









런던 과학박물관에 있는 몽골피에 형제의 열기구 모형 (사진 - http://www.wikipedia.org)





물질의 운동성은 기체 상태일 때 가장 큽니다. 아주 낮은 온도라 하더라도 기체 알갱이들은 매우 빠른 속도로 운동을 계속하고 있습니다. 그런데 온도가 높아지면 기체의 운동 속도는 더 빨라집니다. 온도가 높다는 것은 열에너지가 많다는 것과 같은 말입니다. 열에너지가 많으면 물질은 더 활발하게 움직일 수 있게 됩니다. 열기구에는 연료를 태우는 부분이 있습니다. 그곳에서 연료를 태우면 열이 발생합니다


참조 - 따끈따끈과학 94. 센트랄리아: 끝나지 않는 화재


그리고 그 때문에 그 안에 있는 공기의 운동이 활발해져서 기구가 팽창하게 되고 그 과정에서 많은 공기가 바깥으로 빠져 나갑니다. 그리고 그 결과 기구 안의 공기는 바깥 공기에 비해서 밀도가 작아지게 되고 마침내 열기구가 공중으로 떠오릅니다. 열기구가 비행을 멈추고 다시 땅으로 내려오게 하려면 내부 공기의 밀도를 바깥 공기의 밀도와 마찬가지로 만들어주면 됩니다. 연료의 연소를 멈추면 내부 온도가 내려가고 공기의 운동성도 줄어듭니다. 바깥 공기가 점차 기구 안으로 들어가서 기구 안과 밖의 공기가 같은 조건이 되면 더 이상 비행하지 못하고 착륙하게 되는 것입니다. 물론 안전을 위해서 열기구의 조종은 반드시 숙련된 전문가가 해야 합니다.





샤를의 법칙, 보일의 법칙
기체의 성질에 관한 이야기를 시작한 김에 조금 더 자세히 알아보기로 하겠습니다. 아마 여러분은 샤를의 법칙과 보일의 법칙에 대해 들어본 적이 있을 것입니다. 샤를의 법칙은 압력이 일정한 경우 기체의 온도와 부피의 관계, 보일의 법칙은 온도가 일정한 경우 기체의 부피와 압력의 관계에 대한 것입니다.





열기구의 경우에서 보았듯이 기체의 온도가 올라가면 기체 알갱이들의 운동이 활발해집니다. 이때 기체가 들어 있는 용기가 풍선처럼 유연성을 가진 것이면 일정한 압력이 유지되면서 기체가 들어있는 용기의 부피가 늘어납니다. 반대로 온도가 내려가면 기체 알갱이들의 운동성이 줄어들어서 용기의 부피도 줄어들게 됩니다. 즉, 압력이 일정할 때 기체의 온도와 부피는 비례합니다. 이 사실을 실험적으로 밝힌 과학자가 샤를이기 때문에 우리는 이를 ‘샤를의 법칙’이라고 부릅니다. 승화성 물질인 드라이아이스(고체 이산화탄소)를 에탄올이나 아세톤 같은 액체에 넣으면 매우 낮은 온도를 얻을 수 있는데, 여기에 공기를 채운 풍선을 넣으면 부피가 줄어들어 쭈글쭈글해지는 것을 볼 수 있습니다. 부피가 줄어든 풍선을 다시 밖으로 꺼내면 원래 부피로 부풀어 오릅니다. 온도가 훨씬 낮은 액체 질소를 이용해도 마찬가지 현상을 관찰할 수 있습니다.









샤를의 법칙을 보여주는 모형; 같은 압력일 때 기체의 부피는 절대온도에 비례한다 (사진 : NASA)





압력계가 달린 용기에 초코파이 봉지를 넣고 공기를 조금씩 빼내면 어떤 일이 일어날까요? 봉지가 점점 부풀어 오르다가 결국 터지고 맙니다. 봉지를 치우고 초코파이만 용기에 넣은 후 앞에서 한 것처럼 공기를 빼내면 어떻게 될까요? 빵 부분은 그대로 있고 마시멜로우 부분이 부풀어 올라 초코파이가 마치 유에프오처럼 변하는 것을 보게 될 것입니다. 두 경우 모두 용기 안의 압력이 낮아지기 때문에 생긴 일입니다. 온도가 변하지 않을 때 기체의 압력이 낮아지면 부피는 증가하고, 압력이 높아지면 부피는 감소합니다. 또 부피가 줄어들면 압력이 증가하고, 부피가 늘어나면 압력이 감소합니다. 즉, 일정한 압력이 유지되는 경우 기체의 부피와 압력은 서로 반비례하는 관계입니다. 이를 발견한 과학자의 이름을 따서 ‘보일의 법칙’이라고 합니다. 주사기에 적당한 부피의 공기를 채워서 위와 같은 실험을 해보면 부피와 압력의 관계를 좀 더 명확하게 볼 수 있습니다.





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초코파이를 용기에 넣고 압력을 낮추면 마시멜로우 부위가 마치 풍선처럼 부풀어 오른다.





샤를의 법칙과 보일의 법칙은 각각 압력과 온도가 일정한 상태를 가정하고 있지만 현실적으로는 부피, 온도, 압력, 모두 서로 영향을 주고받습니다. 그래서 세 가지 요소를 모두 한 데 묶어 이상 기체의 상태 방정식으로 표현하는데, 일정량의 기체가 있을 때 기체의 부피는 절대 온도에 비례하고 압력에 반비례합니다. 샤를의 법칙과 보일의 법칙이 합해진 것이어서 ‘보일-샤를의 법칙’이라고 부르기도 합니다. 온도가 높거나 압력이 낮은 경우에는 기체의 행동이 이상 기체의 상태 방정식에 잘 들어맞지만 그렇지 않은 경우에는 기체 알갱이들끼리 인력이 작용하기 때문에 완벽하게 식을 따르지는 않습니다.




*더 찾아보아요*
☆ 책으로 읽어보아요
- 보일이 들려주는 기체 이야기, 정완상 지음, 자음과모음
- 보일의 화학노트, 김기정 지음, 녹색지팡이




*한걸음 더!
☆ 열기구의 구조와 원리에 대해 더 자세히 알아보세요.
☆ 부력에 대해서 알아보세요.
☆ 압력이란 무엇일까요? 기체는 어떻게 압력을 갖게 될까요? 여러 가지 압력의 단위를 알아보고, 서로 변환시켜 보세요.
☆ 샤를의 법칙, 보일의 법칙, 이상 기체의 상태 방정식을 식으로 나타내면 어떻게 될까요? 이때 온도, 압력, 부피의 단위로는 어떤 것을 써야 할까요?
☆ 이상 기체란 무엇인지 알아보세요.




주제!
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