탄성이 있는 고무줄을 갑자기 길게 늘리면 고무를 구성하는 고분자 사슬의 배열이 규칙적으로 변하면서 엔트로피가 감소하고 그 결과 열이 방출되는 이유가 무엇인가요?

Question

탄성이 있는 고무줄을 갑자기 길게 늘리면 고무를 구성하는 고분자 사슬의 배열이 규칙적으로 변하면서 엔트로피가 감소하고 그 결과 열이 방출되는 이유가 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

고무줄을 갑자기 늘렸을 때 열이 발생하는 현상은 고무를 구성하는 분자들의 독특한 구조와 열역학 법칙으로 설명할 수 있습니다.

​원래 상태의 고무는 길고 유연한 고분자 사슬들이 서로 복잡하게 엉킨 채 사방으로 자유롭게 움직이고 있습니다. 분자들이 무작위로 꼬여 있어 질서도가 낮고 무질서함을 뜻하는 엔트로피가 매우 높은 상태입니다. 하지만 고무줄을 양쪽으로 강하게 잡아당기면 이 사슬들이 힘을 받는 방향을 따라 강제로 일렬로 나란히 펴지게 됩니다. 분자들이 규칙적으로 정렬되면서 이들이 취할 수 있는 경우의 수가 급격히 줄어들고 결과적으로 엔트로피가 크게 감소하는 질서 정연한 상태가 됩니다.

​열역학 법칙에 따르면 자연 상태에서 엔트로피가 감소하여 무질서도가 낮아질 때는 그만큼의 에너지를 외부로 방출해야 합니다. 사슬들이 자유롭게 꼬이고 회전하던 열운동 에너지가 강제 정렬로 인해 제한을 받으면서 분자의 운동 에너지가 순간적으로 열에너지로 전환되는 것입니다. 고무 자체의 내부 에너지는 크게 변하지 않는 상태에서 사슬들이 벼려지듯 정렬되는 과정의 잉여 에너지가 외부로 뿜어져 나오기 때문에 고무줄의 온도가 올라가게 됩니다. 늘어난 고무줄을 민감한 입술 주위에 대보면 따뜻한 온기를 느낄 수 있는 이유가 바로 이 때문입니다. 반대로 늘어났던 고무줄을 놓으면 사슬들이 다시 무질서한 원래 상태로 돌아가려 하면서 주변의 열을 흡수하므로 순간적으로 차가워집니다.

Answer 2

안녕하세요.

고무줄을 갑자기 늘렸을 때 따뜻해지는 현상은 일반적인 금속 스프링과 달리 고무의 탄성이 엔트로피 변화와 관련이 있으며, 이를 엔트로피 탄성이라고 부릅니다.

원래 고무를 이루는 긴 고분자 사슬들은 꼬이고 구부러진 상태로 매우 무질서하게 배열되어 있는데요, 이런 상태는 가능한 배열 방식이 많아서 엔트로피가 높은 상태입니다. 그런데 고무줄을 잡아당기면 사슬들이 늘어나면서 한 방향으로 정렬되고 꼬임이 줄어들면서 가능한 배열 경우의 수가 감소해 엔트로피가 낮아집니다.

열역학에서 계의 엔트로피가 감소하면 그 감소분에 해당하는 에너지가 다른 형태로 이동할 수 있는데요, 고무를 빠르게 늘리면 엔트로피 감소에 따른 에너지가 분자 운동 증가, 즉 열에너지 형태로 나타나기 때문에 주변이나 고무 자체로 방출됩니다. 반대로 늘어난 고무를 갑자기 놓아 수축시키면 고분자 사슬이 다시 무질서한 상태로 돌아가면서 엔트로피가 증가하는데요, 이때 필요한 에너지를 주변에서 흡수해 고무가 순간적으로 차가워질 수 있습니다. 감사합니다.