헬륨 풍선은 왜 하루 이틀 만에 쪼그라들까?

Why does a helium balloon shrink within a day or two?

생일 파티에 띄운 헬륨 풍선은 왜 하루 이틀만 지나도 바닥에 내려앉을까요?

무슨 일이 일어났나

헬륨 원자의 몰 질량은 4.002602 g/mol 로, 공기의 주성분인 질소 분자(28.0134 g/mol)의 약 7 분의 1 입니다(NIST WebBook).

시뮬레이터는 풍선 벽을 «아주 작은 구멍이 난 칸막이» 로 둔 단순 모형입니다: 같은 온도에서 가벼운 분자는 7 배 무거운 분자보다 2.5 배쯤 빨리 움직여 구멍에 더 자주 닿고, 20 초 뒤 41 개 대 26 개가 빠져나갑니다.

같은 엔진의 실제 기체 계산으로는 25 °C 헬륨의 평균 빠르기가 약 1,260 m/s, 질소가 475 m/s 입니다 — NIST 의 말처럼 원자 · 분자의 평균 빠르기는 가진 에너지에 달려 있고, 같은 에너지면 가벼울수록 빠릅니다.

풍선 속 헬륨이 바깥 공기가 들어오는 것보다 빨리 빠져나가니 속 기체가 줄어 풍선이 쪼그라들고, 뜨는 힘도 잃습니다.

💡 생활 속 예시

  • 파티 다음 날 헬륨 풍선은 천장에서 내려와 있어도, 입으로 분 풍선은 크기가 훨씬 천천히 줄어듭니다 — 공기 분자가 헬륨보다 무거워 덜 빠져나가기 때문입니다.
  • 헬륨 풍선을 추운 바깥에 들고 나가면 금방 홀쭉해 보이는데, 이것은 빠져나감과 따로 속 기체가 식어 부피가 줄기 때문입니다.

확인된 값

헬륨 원자 하나의 몰 질량 4.002602 g/mol — 질소의 약 1/7 (NIST WebBook)
4.002602 g/mol 출처
질소 분자(공기의 주성분) 몰 질량 28.0134 g/mol (NIST WebBook)
28.0134 g/mol 출처
원자 · 분자의 평균 빠르기는 가진 에너지에 달려 있다 (NIST)
에너지에 따라 출처

교육과정에서는

  • 한국 2022 · 과학(중학교) · 기체의 성질

출처

이어서 보기

같은 단원 · 기체와 분자 운동

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