단열 팽창할 때 온도가 하강하는 이유가 궁금합니다.

Question

중등 과학에서 단열 팽창하면 온도가 감소한다고 배우잖아요. 몇 가지 실험도 해서 그러한 사실은 아는데 왜 그런지 이유가 궁금해요. 제가 찾아본 내용은 '기체 분자가 부피의 경계면을 밀고 돌아오면서 속력이 감소하는데, 기체 분자의 속력은 절대온도에 비례하므로 온도가 감소한다.'라고 하는데, 구체적인 이유를 잘 모르겠어요.

Answer 1

안녕하세요.

단열 팽창이란 외부로부터 열이 공급되거나 제거되지 않는 상태에서 기체가 팽창하는 과정을 의미합니다. 이 때 온도가 하강하는 이유는 기체 분자들이 수행하는 일과 관련이 있습니다.
기체가 단열적으로 팽창할때, 기체 내부의 분자들은 부피를 확장시키기 위해 주변 공간으로 밀어내는 일을 합니다. 이 과정에서 기체 분자들은 자신의 운동에너지를 사용하여 주변 환경에 대해 일을 하게 되는데, 이 일은 기체 분자들의 운동에너지를 소비합니다.

기체의 온도는 분자의 평균 운동에너지에 직접적으로 비례하기 때문에, 분자들이 일을 함으로써 운동에너지가 감소하면 전체적인 온도가 하강하게 됩니다. 이러한 원리는 에너지 보존의 법칙을 따르며, 기체의 내부 에너지가 감소하는 결과를 가져옵니다.
온도 감소를 더 구체적으로 설명하기 위해, 기체 분자의 입자 모델과 열역학 제 1법칙을 참고할 수있습니다. 열역학 제 1법칙은 에너지의 보존을 설명하는 법칙으로, 이 법칙에 따르면 시스템이 외부에 일을 할 때, 그 에너지는 내부 에너지의 감소로 이어지며, 이는 온도 하강으로 나타납니다.
따라서, 기체가 단열 팽창을 할 때 외부로부터 열을 흡수하지 않는 한, 내부 에너지가 감소하고 결과적으로 온도가 하강하는 것입니다. 이 과정에서 분자의 속력 감소는 전체적인 운동에너지 감소와 온도 하강으로 직결됩니다.

Answer 2

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

단열 팽창 시 온도가 감소하는 이유는 기체 분자 운동론으로 설명할 수 있습니다. 기체가 팽창할 때, 분자들은 더 큰 부피를 차지하기 위해 외부 압력에 대항하여 일을 하게 됩니다.

이 과정에서 분자들의 운동 에너지가 감소하고, 이는 곧 온도의 감소로 이어집니다. 기체 분자의 평균 운동 에너지는 절대 온도에 비례하므로, 운동 에너지가 줄어들면 온도도 함께 낮아지게 됩니다.