병에 씌운 풍선 실험
Balloon on a bottle in warm and cold water
빈 병 입구에 씌운 풍선은, 병을 따뜻한 물에 담그면 왜 스스로 일어설까요?
무슨 일이 일어났나
NASA 에 따르면 압력이 같으면 기체의 부피 V 는 온도 T 에 비례합니다(샤를 법칙) — 병 속 공기가 데워지면 부피를 키우며 풍선을 밀어 올립니다.
NOAA 는 데워진 분자가 더 빨리 움직여 그릇 벽을 더 세게 친다고 설명합니다 — 풍선 고무가 늘어날 때까지 미는 것입니다.
시뮬레이터(2 차원 모형)는 풍선을 무게 있는 뚜껑으로, 물을 바닥 온도 kT₂ 로 둡니다: 따뜻한 물(1.1 J)에서 넓이 1.05 m², 찬물(0.95 J)에서 0.936 m² 로 약 13 % 차이가 납니다.
실온 20 °C(293 K)에서 50 °C(323 K)로 데워도 절대 온도로는 약 10 % 오를 뿐이라 풍선은 «살짝» 섭니다 — 병이 클수록 늘어나는 공기의 양도 커집니다.
💡 생활 속 예시
- 따뜻한 물에 담갔다 꺼낸 페트병 뚜껑을 열면 «피식» 소리가 나는 것도 데워진 속 공기가 밖으로 밀고 나오기 때문입니다.
- 냉동실에 넣었던 빈 플라스틱 통이 안쪽으로 오목해지는 것은 속 공기가 식어 부피가 줄기 때문입니다.
🧪 해 보기
- 빈 플라스틱 병(500 mL 쯤) 입구에 고무풍선을 씌우고, 공기가 새지 않게 입구를 꼭 감쌉니다.
- 큰 그릇에 따뜻한 수돗물(손을 넣어도 괜찮은 정도)을, 다른 그릇에 얼음물을 준비합니다.
- 병을 따뜻한 물에 2~3 분 담가 풍선이 서는 모습을 봅니다.
- 병을 얼음물로 옮겨 풍선이 다시 처지는지 보고, 시뮬레이터의 바닥 온도(kT₂) 끌개로 같은 변화를 확인합니다.
- ⚠️ 끓는 물 · 전기 주전자 물은 쓰지 않고, 손을 넣어도 괜찮은 따뜻한 물만 씁니다.
- ⚠️ 어린이는 어른과 함께 하고, 터진 풍선 조각은 삼키지 않게 바로 치웁니다.
- ⚠️ 유리병은 따뜻한 물과 얼음물을 오가면 깨질 수 있어 플라스틱 병을 씁니다.
누가 왜 찾았나
NASA 에 따르면 온도와 기체 부피의 관계는 샤를이 처음 연구하고 게이뤼삭이 확인했습니다. 병 위 풍선은 그 관계 — 압력이 같으면 부피가 온도에 비례한다 — 를 부엌에서 바로 보는 방법입니다.
확인된 값
교육과정에서는
- 한국 2022 · 과학(초등) · 여러 가지 기체 [4과15-02]
- 한국 2022 · 과학(중학교) · 기체의 성질 [9과06-03]
- 일본 · 小学校 第4学年 A (2) 金属，水，空気と温度
출처
이어서 보기
같은 단원 · 기체와 분자 운동
- 개념누르면 줄어드는 부피 (보일 법칙)
- 개념브라운 운동 (원자가 있다는 증거)
- 개념데우면 커지는 기체 (샤를 법칙)
- 개념저절로 퍼지는 입자 (확산)
- 개념분자가 두드리는 힘 (기체의 압력)
- 개념이상 기체 (PV = nRT)
- 개념분자들의 빠르기 분포 (맥스웰–볼츠만 분포)
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