스크랩 산업기사이론 단열팽창

[美세상(최승일)]

단열이라는 말에서 알 수 있는 것처럼 외부와의 열 교환이 아무것도 없는 상태를 단열이라고 합니다. 즉 외부에서 열을 전달받지도 않고, 또한 자신이 갖고 있는 열을 외부로 보내지도 않는다는 것을 의미합니다. 외부와 열 교환이 없는 단열상태에서 기체의 부피가 팽창하면 열이 소모되어 온도가 내려가게 됩니다. 이렇게 기체의 부피가 팽창하여 스스로 온도가 낮아지는 효과를 단열팽창이라고 합니다.
온도가 낮아지는 이유는 기체의 부피가 팽창하면서 주변의 공기에 에너지를 가하게 됩니다. 이렇게 에너지를 가한만큼 자신의 에너지는 감소하게 되고 이 감소된 에너지 때문에 온도가 낮아지는 효과가 나타나는 것입니다.

참고로 구름이 이러한 단열팽창 때문에 발생하게 됩니다. 수증기를 포함하고 있는 공기가 하늘로 상승하면 기압이 낮아져서 공기가 팽창하게 됩니다. 그러면 위에서 말한 것과 같이 단열팽창을 일으켜 온도가 떨어집니다. 이로 인해 공기중의 수증기는 차가워져 응결되어 물방울이 되고, 이렇게 형성되는 것이 바로 구름입니다.

이것을 식으로 표현하면,
열역학 제 1 법칙에서
ΔQ = ΔU+ΔW
ΔQ = ΔU+PΔV
(ΔQ: 기체에 공급된 열 에너지, ΔU: 기체 내부에너지 증가량, ΔW: 기체가 외부에 한 일, P: 압력, ΔV : 부피변화 )
이상기체의 에너지 U=3/2·nRT를 대입하고, 단열과정이므로 ΔQ = 0을 대입하면,
(U:내부에너지, n:몰수, R:기체상수, T:절대 온도)
0 = 3/2·nRΔT+ PΔV
따라서 부피가 팽창하면(ΔV>0), 온도는 내려가게 됩니다.(ΔT<0)