단열 팽창

 

 

 

공기를 세게 압축시킨 후 갑자기 팽창시키면 수증기가 아주 작은 물방울로 상 변화를 일으켜 구름이 만들어진다. 단열팽창에 의한 구름을 만들어 보고 구름의 생성 원리를 알아보자.

목  적 : 단열팽창에 의한 구름의 생성 원리를 안다.

 

준비물 : 둥근 플라스크, 고무마개, 동 파이프(φ7mm, 25cm), 자전거펌프.

 

방  법 :

①  둥근 플라스크의 주둥이에 꼭 맞는 고무마개에 구멍을 뚫어 동 파이프를 끼우고, 동 파이프 한쪽을 자전거 펌프와 연결한다.

②  둥근 플라스크에 물을 넣고 흔든 다음 물을 쏟아내고, 고무마개로 플라스크를 꼭 막는다.

③  플라스크 주둥이가 아래로 향하도록 잡고, 자전거 펌프를 이용하여 고무마개가 “뻥” 소리를 내며 빠질 때까지 공기를 밀어 넣는다. 이때 고무마개가 빠져나갈 앞쪽에 사람이나 깨질 물건이 없도록 조심한다. 플라스크 안은 어떻게 변하나?

 

결  과 : “뻥”소리와 함께 고무마개가 빠져나가고, 플라스크 안에는 하얗게 수증기가 생긴다.

 

원  리 : 플라스크에 공기펌프를 이용하여 공기를 밀어 넣으면 공기가 압축된다.

  공기가 압축되면 기온은 상승하게 된다. 계속 공기를 밀어 넣으면 플라스크와 고무마개의 마찰력보다 내부압력이 커지게 된다. 이때 고무마개가 내부압력에 의하여 밀려나오면 플라스크 속의 공기는 다시 급격하게 팽창된다. 따라서 기온이 내려가 공기는 과포화상태가 되고, 응결된 물방울들로 인해 플라스크 속에 구름이 생겨 뽀얗게 흐려지게 된다.  구름은 비교적 습한 공기가 상승할 때 형성된다. 높은 고도에서는 기압이 낮기 때문에 공기가 위로 상승하면 팽창된다. 이들 공기는 이슬점에 도달할 때까지 단열팽창에 의해 온도가 내려가게 되며(이때는 주위와 열 교환이 없다.) 공기는 과포화 상태로 된다.  과포화상태의 수증기는 응결 핵이라 불리는 작은 크기의 먼지나 연기 입자를 중심으로 응결하여 작은 물방울들을 급격히 만든다. 일반적으로 구름은 수적과 빙정이 혼합된 상태로 존재하는데, 빙정은 차가운 구름 상부에 집중되어 있다.