줄-톰슨 효과란?

Home - SCIENCE WAVE

 

 

냉동기의 원리는 ‘줄-톰슨 효과’

 

 

냉장고, 에어컨 등의 냉동장치를 발명케 한 자연의 원리는 간단하다. 프로판 가스가 담긴 고압 탱크(프로판 가스통)의 노즐(좁은 구멍)을 통해 가스를 뿜으면 매우 냉각된 가스가 나온다. 냉장고라든가 에어컨의 냉각기는 이 원리를 이용하여 기체(냉매)를 압축했다가 좁은 구멍을 통해 갑자기 팽창시키는 방법으로 온도를 내린다.

 

줄(Joule, 줄의 법칙 참조)과 영국의 물리학자이며 엔지니어인 윌리엄 톰슨(William Thomson 1824-1907)은 1852년에 ‘줄-톰슨 효과’(Joule-Thomson Effect), 또는 ‘줄-켈빈 효과’라고 부르는 열역학에 대한 새로운 법칙을 발견했다.

  

“압축된 기체를 좁은 관이나 구멍을 통해 팽창시키면 기체의 온도가 내려간다.”

  

줄-톰슨 효과는 수소, 헬륨, 네온 3가지 기체를 제외한 모든 기체에서 나타나는 현상이다. 좁은 구멍으로 압축된 기체를 팽창시키는 것을 ‘드로틀링 과정’(throttling process)이라 한다.

 

물체의 열은 분자들이 충돌하여 발생하는 것이다. 압축되어 있는 기체의 분자들은 서로간의 간격이 좁아 충돌을 많이 하고 있다. 만일 압축된 기체를 급히 팽창시킨다면, 분자 간의 거리가 멀어져 충돌이 적게 일어나므로 결과적으로 온도가 내려간다. 프로판을 비롯하여 액체산소나 액체질소 등 액체 공기를 제조할 때는 모두 줄-톰슨 효과를 이용한다. 즉 기체를 인위적으로 압축했다가 팽창시키기를 반복하면 온도가 점차 내려가 결국 액체 상태로 된다.

 

줄과 함께 이러한 효과를 완성한 윌리엄 톰슨은 ‘열역학 제2법칙’을 완성하는데 큰 역할을 했다. 그는 대서양을 횡단하여 미국과 영국을 연결하는 전신기 설치에 성공한 공로로 빅토리아 여왕으로부터 과학자로서는 영국 최초로 ‘남작’ (House of Lord) 칭호를 받았다. 톰슨은 뒷날 ‘절대0도’에 대한 기초 연구로(절대온도 참조) ‘켈빈 경’(Lord Kelvin)으로 불리게 되었다. 섭씨온도는 C, 화씨온도는 F, 그리고 절대온도를 K로 나타내는 것은 Kelvin을 의미한다.

 

 

'줄의 법칙'이란?