고무줄을 상온에서 늘려 고정한 상태로 헤어드라이어의 뜨거운 바람을 쐬어주면 고무줄이 오히려 수축하는 현상을 온도가 높아질 때 고분자의 무질서도가 증가하는 원리는 무엇인가요?

Question

고무줄을 상온에서 늘려 고정한 상태로 헤어드라이어의 뜨거운 바람을 쐬어주면 고무줄이 오히려 수축하는 현상을 온도가 높아질 때 고분자의 무질서도(엔트로피)가 증가하는 원리는 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

늘어난 고무줄에 뜨거운 바람을 쐬어주면 오히려 수축하는 현상은 고무를 구성하는 고분자 사슬의 무질서도, 즉 엔트로피 변화로 설명할 수 있습니다. 고무는 길고 유연한 사슬 모양의 분자들이 제멋대로 엉킨 채 연결된 구조를 가집니다. 고무줄을 잡아당기면 꼬여 있던 고분자 사슬들이 힘을 받는 방향으로 길게 펴지면서 나란히 정렬하게 됩니다. 이 상태는 분자들의 배열이 규칙적으로 변해 평상시보다 무질서도가 크게 낮아진 상태입니다.

​자연계의 모든 물질은 무질서도가 증가하는 방향으로 나아가려는 성질이 있습니다. 이때 헤어드라이어로 온도를 높여주면 고분자 사슬들의 열운동이 급격히 활발해집니다. 에너지를 얻은 분자들이 격렬하게 진동하면서 규칙적으로 정렬해 있던 사슬 구조를 무너뜨리고 원래의 엉키고 설킨 무질서한 상태로 되돌아가려는 성질이 더욱 강해집니다.

​그 결과 곧게 펴졌던 고분자 사슬들이 열에 의해 다시 불규칙하게 구부러지고 뭉치면서 분자 양 끝의 직선거리가 오히려 짧아지게 됩니다. 이것이 거시적으로 고무줄이 스스로 수축하는 현상으로 나타나는 것입니다. 이처럼 열을 가했을 때 무질서도를 높이려는 분자들의 운동 에너지가 수축하는 힘으로 전환되는 성질을 열역학에서는 엔트로피 탄성이라고 부릅니다.