“열 받으면 커진다”
[8day] 자크 샤를 (1746–1823)
찌그러진 탁구공을 펴는 마법, 그리고 열기구의 아버지
[Today's Scientist] 자크 샤를은 프랑스의 발명가이자 최초로 수소 기구 비행에 성공한 모험가입니다. 그는 기체의 성질을 연구하다가 "압력이 일정할 때, 기체의 부피는 온도에 비례해서 커진다"는 ‘샤를의 법칙’을 발견했습니다. 찌그러진 탁구공을 뜨거운 물에 넣으면 펴지는 현상, 여름철 타이어가 빵빵해지는 현상이 모두 이 법칙 때문입니다.
[교과과정 연계]
중학교 1학년 [기체의 성질] 기체의 온도와 부피 관계 (샤를 법칙)
고등학교 화학Ⅰ [물질의 세 가지 상태] 절대 온도와 기체 분자의 운동
1. 찌그러진 탁구공의 마법
실수로 밟아서 푹 들어간 탁구공, 버리기엔 아깝고 펴지지는 않아 난감했던 적 있나요? 이때 뜨거운 물에 담그면 마법처럼 뽕! 하고 펴집니다. 탁구공 안의 공기 입자들이 열을 받아 에너지가 넘치게 되었기 때문입니다. “아 뜨거워! 빨리 움직이자!” 뜨거워진 공기 입자들은 엄청난 속도로 벽을 밀어내며 부피를 키웁니다. 샤를은 실험을 통해 “온도가 1℃ 오를 때마다 0℃ 때 부피의 1/273 만큼씩 일정하게 커진다”는 정밀한 규칙을 찾아냈습니다.
2. 하늘을 나는 꿈, 기구(Balloon)
샤를의 법칙은 인류를 하늘로 띄워 보냈습니다. 열기구는 풍선 안의 공기를 버너로 데웁니다. 그러면 공기가 팽창하여 밀도가 낮아지고(가벼워지고), 주변의 찬 공기 위로 둥실 떠오르게 됩니다. 샤를은 이 원리를 이용해 몽골피에 형제와 경쟁하며 기구 비행을 연구했고, 직접 수소 기구를 타고 파리 상공 3km 높이까지 올라가는 모험을 감행했습니다. 그가 하늘에서 내려다본 세상은, 보이지 않는 기체가 만들어낸 기적과도 같았습니다.
3. 겨울철 타이어 경고등
이 법칙은 운전자의 안전과도 직결됩니다. 겨울철이 되면 자동차 계기판에 ‘타이어 공기압 경고등’이 자주 뜹니다. 타이어에 구멍이 난 걸까요? 아닙니다. 날씨가 추워지면서 타이어 속 공기의 부피가 줄어들었기(수축했기) 때문입니다. 반대로 한여름 뜨거운 아스팔트 위에서는 타이어 속 공기가 팽창해서 터질 수도 있습니다. 타이어는 계절마다 ‘샤를의 법칙’을 온몸으로 겪고 있는 셈입니다.
[개념 심화 박스]
절대 온도: 세상에서 가장 차가운 온도
샤를의 법칙에 따르면 온도가 내려갈수록 기체의 부피는 계속 줄어듭니다. 그렇다면 계속 식히면 어떻게 될까요? 계산상으로 영하 273℃(-273.15℃)가 되면 기체의 부피는 이론적으로 ‘0’이 되어버립니다. 과학자들은 이 지점을 ‘절대 영도(0 Kelvin)’라고 부릅니다. 입자들의 움직임이 완전히 멈추는, 우주에서 가장 차가운 한계점입니다.
[시각 자료 '캡션']
[그림 1: 샤를의 법칙 그래프] 온도가 올라갈수록 기체의 부피가 직선(일직선)으로 비례하여 증가하는 그래프.
[그림 2: 열기구의 원리] 가열된 풍선 내부의 공기 입자들이 활발하게 움직이며 간격이 멀어지는(팽창하는) 모습.
[사이드 박스 (TMI 코너)]
괴물의 습격?: 샤를이 띄운 첫 번째 수소 기구가 파리 외곽의 한 시골 마을에 떨어졌습니다. 하늘에서 떨어진 거대한 덩어리를 처음 본 농부들은 “괴물이 나타났다!”며 쇠스랑과 돌멩이로 기구를 공격해 갈기갈기 찢어버렸다고 합니다. (샤를은 꽤나 속이 쓰렸겠죠?)
법칙 이름의 비밀: 사실 샤를은 이 법칙을 논문으로 발표하지 않았습니다. 나중에 게이뤼삭(9day 등장)이 이를 정리해서 발표했는데, “이건 샤를 님이 먼저 발견한 것입니다”라고 양심적으로 밝혀서 ‘샤를의 법칙’이 되었습니다.