줄-톰슨 효과: 압축된 기체가 팽창하며 온도가 변하는 현상

줄-톰슨 효과(Joule-Thomson effect)는 압축된 실제 기체가 단열된 좁은 구멍이나 밸브를 통해 팽창할 때 온도가 변하는 현상을 말합니다. 이 현상은 1852년 영국의 물리학자 제임스 프레스콧 줄(James Prescott Joule)과 윌리엄 톰슨(William Thomson, 켈빈 경)에 의해 발견되었습니다. 이상 기체와 달리 실제 기체 분자 사이에는 서로 끌어당기거나 밀어내는 힘(분자 간 상호작용)이 작용하기 때문에 발생합니다.

이 효과는 기체의 액화, 냉동 기술, 극저온학 등 다양한 분야에서 핵심 원리로 활용되고 있습니다.

 

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줄-톰슨 효과의 원리: 분자간의 힘과 일

줄-톰슨 효과는 등엔탈피 과정에서 일어납니다. 즉, 기체가 팽창하기 전과 후의 엔탈피(내부 에너지와 압력-부피의 곱을 더한 값)는 동일하게 유지됩니다.

압축된 기체가 좁은 통로를 통해 저압 영역으로 빠져나갈 때, 기체는 외부로부터 일을 받기도 하고 외부에 일을 하기도 합니다. 이 과정에서 분자 간의 상호작용이 중요한 역할을 합니다.

• 냉각 효과 (온도 강하): 대부분의 기체는 상온에서 팽창할 때 온도가 내려갑니다. 이는 기체 분자들이 서로 끌어당기는 인력을 이겨내고 멀어지기 위해 에너지를 사용하기 때문입니다. 이 에너지는 기체 자체의 내부 에너지로부터 소모되므로 온도가 감소하게 됩니다.
• 가열 효과 (온도 상승): 반면, 수소나 헬륨과 같은 가벼운 기체들은 상온에서 팽창시키면 오히려 온도가 올라갑니다. 이는 분자 간 거리가 매우 가까워져 반발력이 인력보다 우세하게 작용하는 조건에서 팽창이 일어나기 때문입니다. 이 경우, 팽창하면서 분자간 반발력이 감소하고, 그에 해당하는 위치 에너지가 운동 에너지로 전환되어 온도가 상승합니다.

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줄-톰슨 계수와 역전 온도

기체의 종류와 초기 온도 및 압력에 따라 팽창 시 온도가 올라갈지 내려갈지가 결정됩니다. 이를 나타내는 척도가 **줄-톰슨 계수(μJT​)**입니다.

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여기서 T는 온도, P는 압력, H는 엔탈피를 의미하며, 이는 엔탈피가 일정한 조건에서 압력 변화에 따른 온도의 변화율을 나타냅니다.

• μJT​ > 0 (양수): 압력이 감소할 때 온도가 감소합니다 (냉각).
• μJT​ < 0 (음수): 압력이 감소할 때 온도가 상승합니다 (가열).
• μJT​ = 0: 온도가 변하지 않습니다.

줄-톰슨 계수의 부호가 바뀌는 온도를 **역전 온도(Inversion Temperature)**라고 합니다. 어떤 기체든 역전 온도보다 낮은 온도에서 팽창시켜야 냉각 효과를 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 수소는 상온에서는 팽창 시 온도가 올라가지만, 약 -80°C 이하의 극저온 상태에서는 팽창 시 온도가 내려갑니다.

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줄-톰슨 효과의 응용 🌬️

줄-톰슨 효과는 우리 생활과 산업 전반에 걸쳐 폭넓게 응용되고 있습니다.

• 냉장고 및 에어컨: 냉매를 압축시킨 후 팽창시켜 차가워지는 원리를 이용해 냉방 사이클을 구성합니다.
• 기체 액화: 공기, 질소, 산소, 천연가스(LNG), 헬륨 등 산업적으로 중요한 기체들을 액화시키는 데 필수적인 기술입니다. 기체를 압축하고 냉각시킨 후 줄-톰슨 팽창을 반복하여 온도를 극저온으로 낮춰 액체 상태로 만듭니다.
• 극저온학 (Cryogenics): 초전도 현상 연구, 의료용 MRI 장비의 초전도 자석 냉각 등 극저온 환경을 조성하는 데 핵심적인 역할을 합니다.

이산화탄소 소화기: 소화기 내부의 압축된 액체 이산화탄소가 분출되면서 줄-톰슨 효과에 의해 급격히 냉각되어 드라이아이스(고체 이산화탄소)로 변하며, 이는 질식 효과와 함께 냉각 소화 효과를 나타냅니다.