열기구

Hot-air balloon

커다란 천 주머니에 뜨거운 공기를 넣었을 뿐인데, 열기구는 어떻게 사람을 싣고 떠오를까요?

무슨 일이 일어났나

열기구는 속 공기를 데워 바깥 공기보다 가볍게(덜 빽빽하게) 만들어 뜹니다 — 몽골피에 형제의 기구도 속 공기가 더 가볍고 덜 빽빽해서 떠올랐습니다(미국 비행 100 주년 위원회).

NASA 에 따르면 압력이 같으면 기체 부피는 절대 온도에 비례합니다(샤를 법칙) — 같은 양의 공기를 데우면 부풀어, 1 m³ 에 든 공기가 적어집니다.

시뮬레이터(공기를 질소로 둔 실제 기체 계산)에서 약 1 기압 · 20 °C 공기는 1.16 kg/m³, 100 °C 로 데우면 0.915 kg/m³ 입니다.

그 차이 약 0.25 kg/m³ 만큼 1 m³ 마다 뜨는 힘이 생기니, 1783 년 몽골피에 형제가 띄운 지름 10 m 기구(부피 약 524 m³)라면 속 공기를 100 °C 로 둘 때 약 130 kg 을 들어 올리는 셈입니다.

그 기구는 1783 년 6 월 4 일 프랑스 아노네에서 약 2,000 m 까지 올라갔고, 같은 해 11 월 21 일에는 드 로지에와 다를랑드가 처음으로 확인된 사람의 자유 비행을 했습니다.

📸 진짜 모습

미국 캘리포니아주 산타로사의 소노마 카운티 공항 위로 열기구 하나가 떠가고 있습니다.불러오는 중…📸 사진

미국 캘리포니아주 산타로사의 소노마 카운티 공항 위로 열기구 하나가 떠가고 있습니다.

출처: NASA/Bill Ingalls · 퍼블릭 도메인 · NASA 그림 창고 원본 ↗

💡 생활 속 예시

  • 난방을 켠 방에서 천장 쪽이 바닥보다 더 따뜻한 것도 데워진 공기가 가벼워져 올라가기 때문입니다.
  • 풍등이 떠오르는 것도 같은 원리이지만, 불이 붙은 채 날아가 불을 낼 수 있어 함부로 날리면 안 됩니다.

어떤 부품이 무엇을 하나

  • 풍선(봉투) — 천으로 만든 큰 주머니로, 데운 공기를 담아 둡니다 — 1783 년 기구는 천과 종이로 만들었습니다.
  • 데우개 — 아래 입구로 들어간 공기를 데워 속 공기 온도를 올립니다.
  • 아래 입구 — 데우개의 열이 들어가고, 데워져 부푼 공기 일부가 밀려 나가는 열린 구멍입니다.
  • 바구니 — 사람과 짐을 싣는 곳으로, 풍선 아래에 매답니다.
  1. 데우개로 풍선 속 공기를 데웁니다.
  2. 데워진 공기는 부풀어 일부가 아래 입구로 밀려 나가고, 풍선 속에 남은 공기는 바깥 공기보다 가벼워집니다.
  3. 같은 부피의 바깥 공기와 속 공기의 무게 차이가 풍선 · 바구니 · 사람의 무게보다 크면 떠오릅니다.
  4. 데우기를 멈추면 속 공기가 식어 다시 무거워지고 열기구가 천천히 내려옵니다.

확인된 값

열기구를 띄운 몽골피에 형제 (미국 비행 100 주년 위원회)
Joseph · Jacques Montgolfier 출처
사람들 앞에서 띄워 보인 날 — 1783 년 6 월 4 일 프랑스 아노네
1783-06-04 출처
그때 띄운 천 · 종이 기구 지름 10 m
10 m 출처
약 2,000 m 높이까지 올라갔다
2000 m 출처
속 공기가 더 가볍고 덜 빽빽해서 떠올랐다
덜 빽빽한 공기 출처
속 기체는 그냥 공기 — 데울수록 더 잘 떴다
데운 공기 출처
사람이 처음 탄 자유 비행 — 1783 년 11 월 21 일 드 로지에 · 다를랑드
1783-11-21 출처
압력이 같으면 기체 부피는 온도(K)에 비례 — 샤를 법칙 (NASA)
V ∝ T 출처
공기를 질소로 둔 계산의 몰 질량 28.0134 g/mol (NIST WebBook)
28.0134 g/mol 출처

교육과정에서는

  • 한국 2022 · 과학(초등) · 여러 가지 기체 [4과15-04]
  • 한국 2022 · 과학(중학교) · 기체의 성질 [9과06-03]

출처

이어서 보기

같은 단원 · 기체와 분자 운동

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