고무줄을 당기면 왜 따뜻해질까? - 탄성과 열의 과학

고무줄을 손으로 힘껏 당겨본 적이 있나요?

당긴 후에 고무줄을 살짝 만져보면 따뜻해진 것을 느낄 수 있습니다. 이건 단순한 착각이 아니라 실제로 발생하는 흥미로운 과학적 현상입니다. 이 현상의 이유를 살펴보면, 고무줄의 탄성과 열의 관계를 이해할 수 있습니다.

 

고무줄은 고분자 물질로 만들어져 있으며, 이 고분자는 긴 사슬처럼 생긴 구조를 가지고 있습니다.

 

평소에는 이 사슬들이 자연스럽게 꼬여 안정적인 상태를 유지합니다. 하지만 고무줄을 당기면 이 사슬들이 곧게 펴지면서 외부에서 가한 에너지가 고무줄 내부에 저장됩니다. 그 후 고무줄을 놓게 되면, 사슬들은 다시 원래의 꼬인 상태로 돌아가려고 하며, 이 과정에서 저장된 에너지가 열로 방출됩니다. 바로 이 열이 고무줄을 따뜻하게 만드는 원인입니다.

 

특히 고무줄을 당기거나 놓는 과정에서 고분자 사슬 간의 마찰이 발생합니다. 이 마찰은 열을 발생시키는 중요한 역할을 합니다. 고무줄을 빠르고 강하게 당길수록 더 많은 에너지가 필요하고, 더 많은 열이 발생합니다. 간단한 실험으로 이를 확인할 수 있습니다. 고무줄을 여러 번 당기고 놓은 뒤 손끝으로 만져보세요. 고무줄이 따뜻해졌다는 것을 느낄 수 있을 것입니다. 이 실험을 천천히 당길 때와 빠르게 당길 때 비교해 보면, 에너지의 차이에 따라 발생하는 열의 크기가 다르다는 것도 알 수 있습니다.

 

이 현상은 열역학 제1법칙과도 연결됩니다. 열역학 제1법칙은 에너지가 파괴되지 않고 형태를 바꾼다는 원리로, 고무줄의 따뜻해지는 현상을 설명합니다. 고무줄을 당길 때, 당신이 가한 힘은 고무줄의 내부 에너지로 변환되고, 고무줄을 놓으면 이 에너지의 일부가 열로 방출되어 고무줄이 따뜻해지는 것입니다.

 

열역학 제1법칙이란?

열역학 제1법칙은 에너지 보존 법칙이라고도 불리며, 에너지가 생성되거나 파괴되지 않고, 한 형태에서 다른 형태로 변환된다는 원리를 설명합니다.

    ΔU=Q−W

 

• ΔU: 시스템의 내부 에너지 변화
• Q: 시스템에 가해진 열
• W: 시스템이 외부에 한 일

즉, 

• 시스템에 열이 가해지면 내부 에너지가 증가하거나 일을 할 수 있습니다.
• 예를 들어, 고무줄에 힘을 가하면 내부 에너지가 증가하고 일부는 열로 방출됩니다.

고무줄이 따뜻해지는 이유: 열과 일의 변환

고무줄을 당기는 동안, 에너지는 주로 두 가지 방식으로 사용됩니다.

• 고분자 사슬 정렬
  고무줄을 당기면 고분자 사슬이 정렬되는데, 이 과정에서 외부에서 가한 힘(일)이 고무줄 내부 에너지로 변환됩니다.
• 내부 마찰로 인한 열 발생
  고분자 사슬이 정렬되거나 다시 꼬이는 과정에서 분자 간 마찰이 발생하며 열이 방출됩니다. 이 열이 고무줄을 따뜻하게 만드는 주된 이유입니다.