줄 톰슨 효과, 줄 톰슨 계수

줄 톰슨 효과, 줄 톰슨 계수

 

안녕하세요. 아이꾸준입니다.

 

화공기사를 공부하다보면 자주 만나는 개념 중에 하나죠. 바로 줄 톰슨 효과, 줄 톰슨 계수입니다.

 

이번 포스팅에서는 줄 톰슨 효과, 줄 톰슨 계수에 대해 설명해보고자 합니다.

 

 

 

 

줄 톰슨 효과(Joule-Thomson effect)

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압축한 기체를 단열된 좁은 구멍으로 분출시키면 온도가 변하는 현상

 

쉽게 말해서, 고압의 기체를 좁은 구멍으로 통과시키면 압력이 낮아지게 되는데요, 이때 온도도 함께 변하는 현상을 줄 톰슨 효과라고 합니다.

 

실생활에서 줄 톰슨 효과가 사용되는 것은 여러 가지가 있습니다.

 

1) 탄산음료 PET 병

출처: 코카콜라

우리가 자주 먹는 탄산음료 PET병에서 줄 톰슨 효과를 발견할 수 있습니다. PET 병을 처음 개봉할때 입구부분을 자세히 보시면, 개봉하는 순간 입구 주변에 수증기가 응결되는 걸 볼 수 있습니다.

이게 바로 줄 톰슨 효과로 고압의 탄산가스가 대기압으로 낮아지는 과정에서 온도도 함께 낮아지는 줄 톰슨 효과입니다. 그리고 소음도 '취이이이이' 하는 소음도 발생합니다.

 

 

2) 입김

우리 몸에서도 줄 톰슨 효과를 충분히 발견할 수 있습니다. 이 글을 보시면서 따라해보세요. 입을 크게 벌린 상태에서 입김을 불면 따듯합니다. 반면에 입을 작게 오므린 상태에서 입김을 불면 시원합니다. 왜 그럴까요? 바로 좁은 구멍으로 입김을 통과시키기 때문입니다. 입김이 밖으로 나오면서 좁은 입구멍으로 인해 상대적으로 압력이 낮아지게 되는데요, 이때 입김의 온도도 낮아지는 것입니다. 바로 줄 톰슨 효과때문입니다.

 

 

 

 

3) 에어컨 - 팽창밸브

정확히 말하면 에어컨에서 팽창밸브에서 줄 톰슨 효과가 활용됩니다. 위 사진은 에어컨 냉매 사이클을 나타낸 그림입니다. 강조 표시한 부분이 바로 팽창밸브입니다. 고압으로 압축된 냉매를 팽창밸브로 통과시키면 줄 톰슨 효과로 인해 압력과 온도가 낮아져 차가운 상태의 냉매로 바뀌게 됩니다.

 

 

 

4) 정압기

https://ikkujun.com/719 - 정압기란?

정압기에 대해 궁금하신 분은 위 링크를 참고해주세요.

 

 

줄 톰슨 계수(Joule-Thomson Coefficient)

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줄 톰슨 효과에 줄 톰슨 계수 개념이 빠질 수 없습니다.

 

줄 톰슨 계수는 줄 톰슨 효과가 압력감소에 따라 온도 변화가 얼마나 일어나는 지를 알려주는 값 입니다.

 

쉽게 말해서, 줄 톰슨 계수를 알면 압력을 100만큼 낮췄을 때 온도는 얼마가 변하겠구나를 알 수 있습니다.

위 그래프는 수소, 헬륨, 질소, 아르곤, 이산화탄소의 줄톰슨 계수 값을 온도에 따라 그래프로 나타낸 것입니다. 강조한 부분을 보시면 줄톰슨 계수가 음수인 걸 볼 수 있습니다.

 

$$\mu = \left ( \frac{\partial T}{\partial P} \right )_H$$

 

줄 톰슨 계수는 위와 같이 정의됩니다. 등엔탈피 조건에서, 압력변화에 따른 온도변화가 바로 줄 톰슨 계수입니다.

 

위 그래프에 따르면 일반적인 기체의 경우에는 줄톰슨 계수 값이 양수입니다. 그래서 압력이 감소하면, 온도도 감소합니다.

 

하지만 위 그래프에서 강조한 부분을 보면 헬륨($He$)의 경우에는 대부분의 온도에서 줄 톰슨 계수가 음수이고, 수소($H_2$)의 경우에는 200K 이상의 온도에서 줄 톰슨 계수가 음수입니다.

 

줄 톰슨 계수가 음수라는 뜻은 압력이 감소하면 반대로 온도가 상승한다는 뜻입니다.

 

결론적으로 줄 톰슨 계수는 물질에 따라 그리고 온도에 따라 값이 달라집니다. 줄 톰슨 계수를 통해 줄 톰슨 효과에 의한 온도감소 및 온도증가가 얼마나 될지도 계산할 수 있습니다.

 

감사합니다.