단열 변화에 의한 공기의 온도 변화

대기 속에 있는 공기덩이가 단열 변화를 일으킬 때 공기덩이의 온도가 변화하는 메커니즘

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대기 속에 있는 공기덩이가 단열 변화를 일으킬 때 공기덩이의 온도는 어떻게 변화하는지 알아보겠습니다. 단열 변화는 공기덩이 내부와 외부 사이에 에너지 교환이 일어나지 않는다고 전제할 때 발생하는 변화입니다. 

먼저 지구에서 대기압의 분포를 살펴 보겠습니다. 지구의 중력의 영향으로 지구의 대기를 구성하는 기체 입자들은 지표 근처에 몰려 있습니다. 기체 입자들의 밀도는 지표 근처에서 최대이며, 높이가 증가함에 따라 급격하게 감소합니다. 따라서, 지구 대기의 대기압 또한 높이가 증가할수록 급격하게 감소합니다. 

[ 도표: 지구 대기압의 연직 분포 ]

저기압 지역의 상승 기류와 단열 냉각

저기압 지역은 상승 기류가 발생하는 지역입니다. 상승 기류를 따라 상승하는 공기덩이의 변화를 살펴보겠습니다. 지표 근처에서 이 공기덩이의 부피는 V이며, 공기덩이 내부의 에너지는 E라고 하겠습니다. 그렇다면 공기덩이의 단위 부피가 포함하는 에너지는 E/V입니다. 

공기덩이가 상승할수록 주변 대기압은 감소합니다. 그 결과 공기덩이는 팽창합니다. 예를 들어 공기덩이가 높이 h까지 상승하였을 때 공기덩이의 부피가 2배 증가하여 2V가 되었다고 해보겠습니다. 이 때 공기덩이의 단위 부피가 포함하는 에너지는 E/(2V) = 0.5 (E/V)로 처음의 절반이 됩니다. 동일한 부피 속의 에너지량이 절반으로 감소하였으므로 기체 분자들의 운동도 느려지고 그 결과 온도가 감소합니다. 이처럼, 공기덩이가 주변으로부터 에너지를 받거나 내보내지 않았음에도 불구하고 공기덩이의 온도가 감소하는 현상을 단열 냉각이라고 합니다. 단열 냉각은 공기덩이의 내부 에너지에는 변화가 없이 공기덩이의 부피가 증가함으로써 생긴 현상입니다. 이처럼 주변과 에너지를 주고 받지 않으면서 공기덩이의 부피가 증가한 현상을 단열 팽창이라고 합니다. 

이처럼 저기압 지역에서는 상승 기류가 발생하기 때문에 상승하는 공기덩이가 단열 팽창하면서 냉각되고 그 결과 공기덩이 속의 수증기가 응결하여 구름을 형성합니다. 따라서, 저기압 지역에서는 일반적으로 구름이 더 많이 끼고 날씨가 좋지 않습니다. 상승하면서 단열 냉각된 공기덩이가 높이 H에서 응결을 시작하였다면 이 높이 H를 응결 고도라고 합니다. 

고기압 지역의 하강 기류와 단열 승온

고기압 지역에서는 하강 기류가 발생합니다. 하강 기류를 따라 하강하는 공기덩이의 변화를 살펴보겠습니다. 상공의 높이 h에서 부피가 V이고, 내부 에너지 E를 갖는 공기덩이가 하강한다고 하겠습니다. 하강할수록 주변의 대기압은 증가하므로 이 공기덩이는 차츰 압축되어 부피가 감소합니다. 예를 들어 이 공기덩이의 부피가 처음의 절반이 되었다고 해보겠습니다. 공기덩이는 단열 변화를 일으키므로 내부 에너지의 총량에는 변화가 없이 그대로 E입니다. 이 때 공기덩이의 단위 부피가 갖는 에너지는 E/(V/2) = 2 (E/V)로 처음의 두배가 됩니다. 그 결과 공기덩이 내부의 기체 분자들의 운동은 활발해지고 온도가 상승합니다. 공기덩이가 주변으로부터 에너지를 받거나 내보내지 않았음에도 불구하고 공기덩이의 온도가 증가하였으므로 이 현상을 단열 승온이라고 합니다. 이처럼 공기덩이 내외부 사이의 에너지 출입 없이 공기덩이의 부피가 감소한 현상을 단열 수축이라고 합니다. 

이처럼 고기압 지역에서는 하강 기류가 발생하기 때문에, 하강하는 공기덩이가 단열 수축하면서 승온되고 그 결과 공기덩이 속에 구름이 존재했었다고 하더라도 구름의 물방울은 증발하여 수증기가 됨으로써 구름이 소멸되게 됩니다. 따라서 고기압 지역에서는 구름이 잘 형성되지 않아 일반적으로 맑은 날씨를 보입니다. 

작성 기록

2004-04-14. "단열 팽창에 의한 냉각 과정", 첫 기사 작성

2015-06-18. "단열 변화에 의한 공기의 온도 변화", 수정 기사 작성. @조회수: 20377

조영우

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