2026년 9월 30일 · 용티IYPT 2014 · 문제 12 · 열·상전이, 물성·재료

바람 빠진 풍선은 왜 차가울까 — 차가운풍선

V2 공개자료 교차확인 — 둘 이상의 독립된 자료로 확인

탐구 주제

IYPT 2014 문제 12 ‘Cold balloon’에 관한 원리 해설과 탐구 설계입니다.

IYPT 2014 공식 문제 보기

교육과정 연결

중학교 과학 「기체의 성질」·「열」(열의 이동) / 고등학교 통합과학2 「환경과 에너지」 / 진로선택 「역학과 에너지」의 ‘열과 에너지’(단열 과정·기체가 하는 일) (2022 개정 교육과정, 단원 코드는 NCIC에서 최종 확인).

핵심 개념

단열 팽창, 기체가 하는 일, 단열 냉각, 고무의 엔트로피 탄성, 구–줄 효과(Gough–Joule), 탄성열량 효과, 줄–톰슨 효과, 내부 초과압력, 열화상 측정

원리 살펴보기

바람이 빠지는 풍선 주둥이에 손을 대면 왜 서늘할까? 여기에는 서로 다른 두 냉각이 겹쳐 있다. 하나는 빠져나가는 공기의 단열 팽창이다. 풍선 속 공기는 고무의 장력에 눌려 바깥보다 압력이 조금 높은데, 이 공기가 좁은 주둥이로 빠르게 빠져나가며 낮은 바깥 압력으로 팽창할 때 주위 공기를 밀어내는 일을 하고, 그만큼 내부 에너지를 잃어 온도가 내려간다. 공기를 천천히 흘려보내면 주위에서 열을 받아 도로 데워지므로, 냉각은 ‘빠르게 뺄 때’ 두드러진다.

다른 하나는 고무 자체의 냉각이다. 고무의 탄성은 금속과 달리 분자 사슬의 엔트로피에서 온다 — 늘이면 사슬이 정렬되며 열이 나고(구–줄 효과), 풍선이 오그라들며 늘어난 고무가 제자리로 돌아갈 때는 거꾸로 열을 흡수해 스스로 식는다(탄성열량 효과). 실제로 천연고무를 크게 늘였다 풀면 온도가 10 K 넘게 오르내리므로(Xie 외 2017), 풍선이 수축할 때 고무도 눈에 띄게 식는다.

그래서 부위마다 온도가 다르다. 공기가 세차게 뿜어 나오는 주둥이 근처가 가장 차가울 것으로 보이고(찬 공기 제트와 빠른 바람의 대류), 몸통은 속 공기의 팽창과 고무의 수축이 함께 식힌다. 이 두 원리는 압축 공기를 뿜어 순간 냉각하는 스프레이 냉매, 팽창 밸브로 냉기를 만드는 냉장고·에어컨, 프레온 없이 고무의 수축열로 냉방하는 탄성열량(elastocaloric) 냉각 기술로 이어진다.

실험 설계

준비물

고무 풍선 여러 개(크기·두께가 다른 것), 열화상 카메라 또는 표면용 열전대·적외선 온도계, 주둥이 배출 속도를 조절할 클립과 굵기가 다른 빨대, 압력계(마노미터), 스탠드, 스마트폰.

변인

독립변인은 공기가 빠져나가는 속도(주둥이 구멍 크기로 조절)와 풍선을 부풀린 정도(내부 초과압력)이다. 종속변인은 풍선 여러 부위(주둥이·몸통)의 온도와 그 하강 폭이다. 통제변인은 풍선의 재질·두께, 처음 넣은 공기량, 실내 기온·습도·바람, 그리고 측정하는 위치와 시점이다. 내부 압력은 부풀린 크기에 따라 단조롭게 늘지 않으므로(Merritt–Weinhaus) 압력계로 직접 확인한다.

실험 순서

  1. 풍선을 정해진 크기로 부풀리고, 열화상 카메라의 방사율을 고무에 맞게(약 0.9~0.95) 맞춘 뒤, 주둥이·몸통 등 부위별 처음 온도와 내부 압력을 기록한다.

  2. 주둥이를 활짝 열어 공기를 빠르게 빼면서, 부위별 온도가 시간에 따라 얼마나 내려가는지와 어디가 가장 차가운지를 열화상으로 촬영한다.

  3. 같은 풍선을 다시 부풀려, 이번엔 주둥이를 가는 빨대로 좁혀 천천히 빼면서 같은 측정을 반복한다 — 빠른 배출(단열에 가까움)과 느린 배출(등온에 가까움)을 비교한다.

  4. 고무만의 몫을 보려면, 공기를 다 뺀 뒤에도 남는 온도 변화를 재거나, 부풀리지 않은 풍선 조각을 빠르게 늘였다 놓으며 표면 온도를 잰다.

  5. 부풀린 정도(초과압력)와 풍선의 두께·재질을 바꿔 가며, 부위별 냉각 폭이 어떻게 달라지는지 정리한다.

안전 안내

⚠ 안전

풍선이 터질 때 튀는 고무 조각과 큰 소리에 대비해 보안경을 쓰고 얼굴을 풍선에서 조금 떨어뜨린다. 라텍스 알레르기가 있으면 니트릴 등 다른 재질을 쓴다. 너무 세게 부풀리지 말고, 입으로 불 때는 어지러움에 주의한다. 열화상 카메라의 렌즈는 태양을 향하지 않는다.

예상과 해석

먼저 예상해 보기

공기를 단숨에 빼는 것과 아주 천천히 빼는 것 중, 풍선 표면은 어느 쪽이 더 많이 차가워질까? 그리고 가장 차가운 곳은 주둥이일까 몸통일까?

자료 정리

부위별 온도–시간 곡선을 함께 그려 어디가 가장 빨리, 가장 많이 식는지 비교한다. 가로축을 배출 속도(또는 1/구멍 크기)로 하여 최대 냉각 폭을 표시하면, 빠르게 뺄수록(단열에 가까울수록) 더 식는 경향이 드러난다. 풍선 전체와 고무 조각(④)에서 잰 냉각 폭을 같은 표에 나란히 적어 두 몫을 가른다. (수치는 실측으로 채운다.)

결과의 의미

공기를 빠르게 뺄수록, 그리고 세게 부풀렸을수록 표면이 더 많이 식고, 가장 차가운 곳은 공기가 뿜어 나오는 주둥이 부근일 것으로 예상된다. 느리게 빼면 열이 도로 흘러들 시간이 있어 거의 식지 않는데, 이 ‘빠르면 단열, 느리면 등온’의 대비가 이 현상의 핵심이다. 관찰된 냉각에서 얼마가 공기의 단열 팽창 몫이고 얼마가 고무 수축의 몫인지를 가르는 일이 어렵고도 중요하다 — 공기를 다 뺀 뒤에도 남는 냉각은 대체로 고무 쪽 몫에 가깝지만 찬 공기가 훑고 간 자리의 냉기도 섞여 있어 그대로 고무 몫이라 할 수는 없다. 고무만의 크기는 ④의 고무 조각 실험으로, 기체만의 크기는 고무가 늘어나지 않는 딱딱한 통(심화 ①)으로 재면 세 값을 나란히 견줄 수 있다. 다만 주위 바람과 고무의 방사율(약 0.9~0.95)이 열화상 값을 흔들 수 있으니 조건을 맞추고 방사율을 보정한다.

더 탐구하기

  1. 풍선 대신 딱딱한 통(고무가 늘어나지 않는 용기)에서 같은 공기를 빼내어, 고무 수축 없이 단열 팽창만의 냉각을 따로 재어 비교해 보자.

  2. 열화상으로 주둥이에서 나오는 찬 공기 제트의 온도를 공기 속에서 직접 재어, 고무 표면의 냉각과 견줘 보자.

  3. 천연고무·니트릴 등 재질과 두께를 바꿔, 고무 수축열(탄성열량 효과)의 크기가 어떻게 달라지는지 비교해 보자.

  4. 풍선 조각을 여러 배율로 늘였다 놓으며 온도 변화를 재어, 늘인 정도(변형)와 냉각 폭의 관계를 그려 보자.

연결 주제

같은 해 문제 7 ‘항아리냉장고’도 전기 없는 냉각이지만 그쪽은 증발 냉각이라 기제가 다르다(부위별 온도 측정법은 공유). 문제 14 ‘고무줄모터’와는 고무의 엔트로피 탄성을 함께 쓴다.

참고문헌

[학생] 위키백과 ‘단열 과정(Adiabatic process)’·‘구–줄 효과(Gough–Joule effect)’ (고무는 빠르게 늘이면 데워지고 수축하면 식는다) / 영상 검색어 “deflating balloon thermal camera”, “elastocaloric rubber cooling” / [심화] D. R. Merritt, F. Weinhaus, “The pressure curve for a rubber balloon,” Am. J. Phys. 46(10), 976–977 (1978), DOI 10.1119/1.11486 (풍선 내부 압력이 반지름에 따라 비단조로 변하고, 초과압력은 수 kPa로 크지 않음) · R. S. Stein, “On the inflating of balloons,” J. Chem. Educ. 35(4), 203 (1958), DOI 10.1021/ed035p203 (풍선을 부풀리기 어려운 이유를 고무 탄성의 운동론으로 설명) · S. L. Dart, R. L. Anthony, E. Guth, “Rise of Temperature on Fast Stretching of Synthetics and Natural Rubbers,” Ind. Eng. Chem. 34(11), 1340–1342 (1942), DOI 10.1021/ie50395a020 (천연고무를 빠르게 늘이면 최대 약 15 K까지 데워짐 — 수축은 그 반대로 냉각) · Z. Xie, G. Sebald, D. Guyomar, “Temperature dependence of the elastocaloric effect in natural rubber,” Phys. Lett. A 381(25–26), 2112–2116 (2017), DOI 10.1016/j.physleta.2017.02.014 (늘였다 풀 때의 단열 온도 변화가 최대 약 12 K — 고무 수축 냉각의 크기 근거) · I. Müller, P. Strehlow, Rubber and Rubber Balloons: Paradigms of Thermodynamics (Springer, Lecture Notes in Physics 637, 2004), DOI 10.1007/b93853 (기체 팽창과 고무 수축이 모두 엔트로피에서 비롯한 냉각임을 다룸). ※ 관찰된 표면 냉각에서 공기의 단열 팽창 몫과 고무 수축(탄성열량) 몫을 정량적으로 분리하고 부위별 온도장을 완전히 예측하는 일은 이 탐구의 개방 지점이다.

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