고무줄을 갑자기 잡아당기면 미세하게 온도가 올라가는 현상은 무엇인가요?

Question

고무줄을 갑자기 잡아당기면 미세하게 온도가 올라가는 현상을, 불규칙하게 엉켜 있던 고분자 사슬들이 정렬되면서 무질서도(엔트로피)가 감소하고 그 에너지가 열로 방출되는 유기화학적 원리로 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

고무줄을 갑자기 잡아당길 때 온도가 미세하게 상승하는 현상은 고분자 물질 특유의 엔트로피 변화와 열역학적 에너지 전환이 맞물려 일어나는 흥미로운 과정입니다. 이를 유기화학적인 관점에서 보면 고무를 구성하는 폴리이소프렌 사슬의 배열 상태 변화가 핵심입니다.

​평상시 고무줄 내부의 고분자 사슬들은 외부의 간섭이 없는 상태에서 열운동을 하며 제멋대로 구부러지고 뒤엉킨 불규칙한 상태를 유지합니다. 유기화학적으로 이 상태는 무질서도인 엔트로피가 극대화된 가장 안정적인 모습입니다. 그러나 고무줄을 양옆으로 세게 잡아당기면, 제멋대로 엉켜 있던 사슬들이 인장 방향을 따라 일정한 방향으로 강제로 정렬됩니다.

​이처럼 사슬이 나란히 정렬되는 과정은 분자의 배열이 규칙적으로 변하는 것을 의미하며, 결과적으로 고무줄 내부의 엔트로피는 급격히 감소하게 됩니다. 열역학 제2법칙에 따르면 고분자 시스템의 엔트로피가 낮아질 때, 그 줄어든 무질서도만큼의 에너지는 외부로 방출되어야 합니다. 이때 방출되는 에너지가 바로 열의 형태로 나타나 고무줄의 온도를 높이는 것입니다.

​결국 고무줄이 따뜻해지는 것은 우리가 가한 물리적인 힘이 고분자 사슬의 무질서한 상태를 강제로 질서 정연한 상태로 바꾸면서, 사슬 속에 잠재되어 있던 에너지가 열에너지로 전환되어 밖으로 뿜어져 나오기 때문입니다. 반대로 잡아당겼던 고무줄을 놓으면 사슬들이 다시 원래의 무질서한 상태로 돌아가기 위해 주변의 열을 흡수하므로 온도가 다시 내려가는 현상을 관찰할 수 있습니다.

Answer 2

안녕하세요.

고무줄을 갑자기 잡아당겼을 때 표면 온도가 아주 미세하게 올라가는 현상은 고무 탄성 또는 엔트로피 탄성과 관련이 있습니다. 고무는 주로 천연고무나 합성 고무처럼 긴 고분자 사슬들로 이루어져 있는데요, 이 고분자 사슬들은 평소에는 일정한 방향으로 가지런히 놓여 있지 않고 뒤엉켜 있는 것처럼 무작위로 구부러지고 꼬인 상태로 존재합니다. 이런 상태는 분자 배열의 가능한 경우의 수가 매우 많기 때문에 열역학적으로 높은 엔트로피, 즉 높은 무질서도를 가진 상태라고 볼 수 있습니다. 이때 고무줄을 갑자기 잡아당기면 이 무작위로 꼬여 있던 고분자 사슬들이 당겨지는 방향으로 점차 펴지고 정렬되기 시작합니다. 즉, 원래 자유롭게 구부러져 있던 분자 사슬들의 배열 가능성이 줄어들면서 무질서도가 감소하게 되며, 이 현상을 열역학적으로 보면 시스템은 자연스럽게 높은 엔트로피 상태를 선호하는데, 외부에서 힘을 가해 분자들을 더 질서 있는 상태로 만들면 그에 따른 자유에너지 변화가 발생하는 것입니다. 이 과정에서 분자 사슬 내부의 회전 자유도가 줄어들고, 일부 분자 운동 에너지가 열에너지 형태로 주변으로 전달됩니다. 즉, 분자들이 더 정돈된 배열로 강제되면서 내부 에너지 분포가 바뀌고, 그 일부가 열에너지 형태로 방출되는 것으로 보시면 되겠습니다. 감사합니다.