안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
기체 분자는 쉬지 않고 날아다니며 용기 벽에 부딪혀요. 이 충돌이 압력이고, 분자들의 평균 운동에너지가 곧 온도예요. 단열 팽창은 피스톤 같은 벽이 바깥으로 밀려나는 상황이에요. 뒤로 물러나는 벽에 부딪힌 분자는 부딪히기 전보다 느린 속도로 튕겨 나와요. 뒤로 빠지는 글러브로 공을 받으면 공이 덜 튀어나오는 것과 같은 원리예요. 분자가 잃은 운동에너지는 벽을 밀어내는 데 쓰였고, 이게 기체가 외부에 한 일이에요.
제1법칙으로 쓰면 ΔU = Q − W예요. 단열이라 Q = 0이니 ΔU = −W가 돼요. 기체가 일을 한 만큼 내부 에너지가 빠져나가고, 이상기체의 내부 에너지는 분자 운동에너지뿐이라 온도가 그만큼 내려가요. 외부에서 열이 들어와 메워줄 수 없으니 줄어든 에너지가 그대로 온도 하강으로 나타나요. 식으로는 TV^(γ−1)이 일정하게 유지되고, 공기는 γ = 1.4라 부피가 두 배로 늘면 절대온도가 약 24% 떨어져요.
스프레이를 오래 뿌리면 캔이 차가워지는 것, 공기가 산을 타고 오르며 팽창하다 식어 구름이 생기는 것이 모두 이 현상이에요. 마른 공기는 1km 올라갈 때마다 약 10℃씩 식어요. 그런데 진공으로 풀려나가는 자유 팽창은 밀어낼 벽이 없어 일을 하지 않으니, 이상기체라면 온도가 변하지 않아요 :)