줄-톰슨 효과 (Joule-Thomson Effect)
쉽게 풀면
압축된 기체를 작은 구멍이나 좁은 밸브로 천천히 내보내면, 바깥과 열을 주고받지 않았는데도 기체의 온도가 바뀝니다. 대부분의 기체는 상온에서 이때 온도가 내려가는데, 스프레이 캔을 오래 쓰면 차가워지는 것도 같은 맥락입니다. 이유는 기체 분자들이 서로 끌어당기고 있어서, 사이가 멀어지려면 그 인력을 이기는 데 에너지를 써야 하기 때문입니다. 그 에너지를 분자들의 운동에너지에서 꺼내 쓰기 때문에 온도가 떨어집니다.
왜 중요한가
이 효과는 공기를 액화해 액체 질소와 액체 산소를 만드는 산업 공정의 원리이며, 냉장고와 에어컨의 팽창 밸브에서도 그대로 쓰입니다. 실험실에서 저온을 만드는 표준 냉각 방식 가운데 하나여서 극저온유지장치의 작동 원리와도 직결됩니다. 또한 이상기체에서는 이 효과가 전혀 나타나지 않으므로, 실제 기체의 분자 간 상호작용을 보여 주는 대표적 증거로도 다뤄집니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
조금 더 깊게 보면
이 과정은 외부와 열을 주고받지 않으면서 엔탈피가 일정하게 유지되는 변화이며, 압력 변화에 대한 온도 변화의 비율을 줄-톰슨 계수라고 부릅니다. 이 계수가 양수이면 팽창할 때 식고 음수이면 오히려 더워지며, 부호가 바뀌는 온도를 역전 온도라고 합니다. 수소와 헬륨은 역전 온도가 상온보다 낮아서, 먼저 다른 방법으로 충분히 식히지 않으면 팽창시켰을 때 오히려 온도가 올라갑니다. 분자 간 인력이 냉각을, 분자 자체의 부피에 따른 반발이 가열을 유도하므로, 반데르발스 상태방정식으로 두 효과의 경쟁을 정량적으로 설명할 수 있습니다.
주의할 점
단열 과정과 이름이 비슷해 보이지만, 단열 팽창이 외부에 일을 하며 식는 것과 달리 줄-톰슨 팽창은 알짜 일 없이 엔탈피가 보존되는 과정입니다. 두 경우의 온도 변화량은 일반적으로 다릅니다. 또 '팽창하면 항상 차가워진다'는 진술은 틀렸으며, 기체 종류와 온도 조건에 따라 가열될 수도 있습니다.