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"하~" 하면 따뜻하지만 "호~" 하면 차가운 입김이 나오는 이유는?

일상속 과학/과학

by 스마트 1분 2019.10.24 19:04

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찬바람이 슬슬 불기 시작하는데 이제 좀 있으면 본격적으로 추워진다고 합니다. 서늘한 이른 아침에 집밖에 나오면 으슬으슬한 기온에 한숨이 나오게 되는데 이때 입김을 보게되죠. 그런데 한편으로는 의아한 생각도 들게 됩니다. 입모양을 오므리고 "호~"하고 불면 찬 바람이 나오는데 입을 벌린채 "하~"하고 불면 따뜻한 바람이 나오기 때문이죠. 같은 입김이라도 온도가 달라지는 것은 왜 그런 것일까요?

<참새도 추울까? @giphy>

▶이 의문에 대한 답을 알기 위해서는 '단열팽창'에 대한 이해가 필요합니다. 단열팽창이란 외부와 열 교환이 없이 물체의 부피가 늘어나는 현상을 말합니다. 부피가 팽창하게 되면 그 안의 기체 분자는 활동할 수 있는 공간이 넓어지게 되는데 상대적으로 작은 공간에서 운동하던 기체 분자들은 넓은 공간으로 오면서 더 많은 활동을 하게 되며, 이때 기체의 운동에너지는 기체가 갖고 있던 열에너지가 전환되면서 발생하게 됩니다. 

 

 

기체의 열에너지가 운동에너지로 전환되는 현상은 열역학 제1법칙의 에너지 보존법칙으로 설명이 됩니다. 열역학 제1법칙은 에너지의 보존 법칙으로, 에너지는 스스로 소멸되거나 생성되지 않고 들어온 만큼 나간다는 단순한 법칙입니다. 즉, 들어오는 에너지가 없이 어떤 에너지가 증가했다면 그 차이만큼 다른 내부에너지가 감소한다는 것이죠. 그리고 이는 도식으로 

 

<열역학 제 1법칙>

표현이 될 수 있습니다.

 

▶앞서 언급했듯이 단열팽창은 외부와의 열 교환 없이 부피가 팽창하는 현상을 말합니다. 위의 식에서 ΔU=Q-W에서 열 교환이 없기 때문에 Q=0이 됩니다. 그러면 등식은 ΔU = -W, 바꿔 말하면 W=-ΔU 되죠. 즉, 단열과정 중에 외부에 일을 하게 되면 내부에너지는 감소(-)하게 됩니다. 

 

 

기체 분자 운동론의 가정에 의하면, 입자의 평균 운동 에너지는 기체의 온도에 비례합니다. 따라서 이상기체의 내부 에너지는 기체의 온도에 비례하고 이는  U = 3/2 RT(R은 기체 상수(8.314 J/K⋅mol)이고, T는 절대온도)라는 공식으로 설명될 수 있죠. 즉, 외부에 일을 하게 되는 경우 내부에너지가 감소하며 이는 온도가 감소한다는 것을 의미하는 것입니다. 

<@gettyimage>

▶주제로 돌아와 입으로 바람을 불 때를 생각해보겠습니다. 입을 조금만 벌리고 '호~'하고 바람을 불면 작은 입안에 있던 공기가 갑자기 넓은 세상에 나오면서 부피가 팽창하게 되죠. 순식간에 일어나는 일이기 때문에 외부에 열 교환이 일어나지 않는 단열팽창으로 봐야하는데 부피가 큰 밖으로 나온 공기는 더 많은 운동을 하게 되고(외부에 일을 많이 하게 되고) 이로 인해 내부에너지가 감소하기 때문에 온도가 떨어지게 됩니다.

 

 

<'하~', @giphy> 

반대로 입을 크게 벌리고 '하~'하고 바람을 불때는 입을 오므리고 불때와는 달리 상대적으로 부피 팽창이 갑작스럽게 일어나지 않기 때문에 운동에너지가 크게 증가하지 않아 기온의 변화가 크지 않게 됩니다. 또한 입속에 있던 공기는 우리 몸의 온기를 담은 따뜻한 공기이기 때문에 이 공기가 밖으로 나올 때 우리가 따뜻하게 느끼는 겁니다.

 

 

※ 참고자료·논문자료·자문 등 도움

 

1. 열역학 제 1법칙

: http://physica.gsnu.ac.kr/phtml/thermodynamics/thermoraw/firstraw/firstraw.html

2. 국민대학교 - 열역학 보존 법칙

: http://ocw.kookmin.ac.kr/?course=10232

3. 에너지 보존의 법칙 - 한남대학교

:http://sjoh.hannam.ac.kr/Science/modern2/index.html

4. 열역학 제 1법칙

:https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%97%B4%EC%97%AD%ED%95%99_%EC%A0%9C1%EB%B2%95%EC%B9%99

5. Is our air from our breath hot or cold? 

:http://scienceline.ucsb.edu/getkey.php?key=5530

 

 

 

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