줄-톰슨효과(Joule-Thomson effect)

  줄-톰슨 효과는 압축한 기체를 단열된 좁은 구멍으로 분출시키면 온도가 변하는 현상을 말합니다. 이는 분자간 상호작용에 의해 온도가 변하는 것으로, 공기를 액화시킬 때나 냉매의 냉각에 응용되는 현상입니다.

 

  J.P.줄과 W.톰슨(W.켈빈)이 1854년 실험을 통하여 발견하였습니다. 이상기체에서는 압축한 기체를 단열된 좁은 통로를 통해서 빠져나가게 하면 빠져나가기 전후의 기체의 엔탈피는 같게 되어, 이 과정에서 온도변화는 생기지 않지만, 실제 기체의 경우는 분자간 상호작용이 있기 때문에 온도변화가 생깁니다. 이 현상을 줄-톰슨효과라고 합니다. 이때 기체의 온도가 높을 때와 낮을 때의 압력변화에 따른 온도변화의 방향이 달라지게 됩니다.

 

  일반적으로 상온에서 수소는 온도가 올라가지만 다른 기체는 냉각됩니다. 그 정도는 분출 전후의 압력차를 1기압으로 했을 때, 산소는 약 0.32℃ 공기는 0.26℃인데, 압력차이에 비례하여 그 정도가 커지게 됩니다. 이들 기체를 강하게 압축하여 분출시키면 온도가 극적으로 내려가서 액화할 수 있으며, 액체공기는 이 원리를 기초로 하여 대략 150기압으로 압축한 공기를 반복하여 가는 구멍으로부터 분출시켜 만들게 됩니다. 온도의 증가·감소는 일반적으로 그 기체의 온도에 따라 결정되며, 어느 온도 이하에서는 냉각되고, 그 이상에서는 올라갑니다. 이 경계에 있는 점을 역점온도(逆點溫度)라 합니다. 예를 들면 수소도 －80℃ 이하의 온도에서는 분출에 의하여 냉각됩니다.

 

 

  이 효과는 헬륨 등 기체 냉각이나 액화, 에어컨이나 냉장고 등 냉매의 냉각에 널리 사용되고 있으며, 최근에는 소형 줄-톰슨 냉각장치들이 개발되어 고압 실린더의 기체를 직접 사용하고, 유리판에 구멍을 내거나 가는 관을 통해 공기 중으로 기체(주로 질소)를 배출시키는 방법으로 80K 정도의 저온을 쉽게 얻고 있습니다.

 

  간단한 예로, 헤어 스프레이나 무스, 부탄가스 등을 쓰고 나면 병이 차가워지는 현상 및 입을 오므려서 찬바람을 만드는 것도 모두 줄-톰슨 효과라 할 수 있습니다.