안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
액체 질소에 넣은 풍선의 크기 변화는 온도와 기체 부피의 관계를 설명하는 샤를의 법칙과 극저온에서 일어나는 공기 성분의 상변화 때문에 나타납니다. 이와 관련하여 좀 더 자세히 설명해 드릴게요.
풍선 내부의 기체 분자들은 높은 열에너지를 얻어 활발하게 움직이며 풍선 내벽에 끊임없이 부딪치고, 이 충돌에 의한 압력이 풍선을 팽팽하게 유지합니다. 액체 질소의 온도는 -196도로 매우 낮아, 풍선이 액체 질소에 들어가는 순간 내부 기체의 온도가 급격히 떨어지면서 분자들의 운동 에너지가 상쇄됩니다. 분자 충돌 횟수와 힘이 급격히 줄어들면서 풍선이 쪼그라들게 됩니다. 단순히 기체 분자의 움직임이 줄어드는 것뿐만 아니라, 풍선 안의 공기가 진짜 액체로 변하는 것이 쭈글쭈글해지는 가장 결정적인 이유입니다. 공기의 주성분인 산소와 질소는 액체 질소의 온도에서 기체 상태를 유지하지 못하고 물방울 형태의 액체로 응축됩니다. 기체가 액체로 변하면 부피가 폭발적으로 감소하여 풍선 내부의 공간이 순간적으로 비어버리면서 종이처럼 납작하게 구겨집니다.
하지만 풍선을 다시 상온으로 꺼내면 주변 열을 빠르게 흡수합니다. 풍선 바닥에 고여 있던 액체 상태의 산소와 질소가 순간적으로 다시 부글부글 끓어오르며 기체로 변합니다. 기체로 변한 분자들이 원래 부피로 다시 불어나고, 온도가 올라감에 따라 분자 운동이 다시 격렬해지면서 풍선 벽을 밀어냅니다.