기체 분자 운동론의 관점에서 온도가 올라갈 때 캔 내부의 압력이 급증하여 폭발하는 과정을 설명해 주세요.

Question

휴대용 미스트나 에어컨 세정제 캔에는 불속에 버리지 마시오라는 문구가 있잖아요. 기체 분자 운동론의 관점에서 온도가 올라갈 때 캔 내부의 압력이 급증하여 폭발하는 과정을 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

스프레이 캔 내부에는 액화된 기체가 들어 있으며, 이 기체는 일정한 온도에서 증기압을 유지하면서 캔 벽에 압력을 가하고 있다. 기체 분자 운동론에 따르면, 기체의 온도가 올라가면 분자들의 평균 운동 에너지가 증가한다. 분자들이 더 빠르게 움직이고, 그 결과 캔 벽에 더 강하게, 더 자주 충돌하게 된다. 압력은 바로 이 충돌에 의해 생기는 힘의 총합이므로, 온도가 상승할수록 압력은 비례적으로 커진다.

캔의 부피는 고정되어 있고, 내부에 들어 있는 기체의 양도 일정하기 때문에, 이상기체 방정식 PV = nRT에 따라 온도가 올라가면 압력이 반드시 증가한다. 불 속에 들어간 캔은 수백 도까지 가열되며, 이때 내부 압력은 캔이 견딜 수 있는 한계 압력을 훨씬 초과하게 된다. 결국 캔 벽이 버티지 못하고 파열되면서 내부의 고압 기체가 순간적으로 팽창하여 폭발이 일어난다.

따라서 스프레이 캔을 불 속에 넣으면, 단순히 뜨거워지는 것이 아니라 기체 분자 운동론에 의해 압력이 급격히 상승하여 폭발 위험이 발생하는 것이다.

Answer 2

안녕하세요.

말씀해주신 것처럼 휴대용 미스트나 에어컨 세정제 캔이 가열되었을 때 폭발 위험이 커지는 이유는 온도가 상승함에 따라 분자의 운동 에너지가 증가하고, 충돌 빈도 및 충돌 세기가 증가하여 압력이 증가하기 때문입니다.

온도가 상승하면 기체 분자의 평균 운동 에너지가 증가하는데요, 이는 평균 속도의 증가를 의미합니다. 분자의 평균 운동 에너지는 절대온도에 비례하기 때문에, 온도가 올라갈수록 각각의 분자가 더 빠르게 움직입니다. 결과적으로 단위 시간당 충돌 빈도가 증가하고, 한 번 충돌할 때 전달하는 충돌의 세기도 커지다보니 이 두 효과가 결합되어 벽에 가해지는 총 힘이 증가하고, 동일한 부피를 유지하는 캔 내부에서는 압력이 급격히 상승하게 됩니다.

또한 에어로졸 캔의 경우 캔 내부에는 단순한 기체만 있는 것이 아니라, 액체 상태의 추진제와 그 위에 평형을 이루고 있는 기체가 함께 존재하는 경우가 많습니다. 따라서 온도가 올라가면 액체의 증기압이 증가하면서 더 많은 분자가 기체 상태로 전환되다보니, 결과적으로 기체의 몰수 자체가 증가합니다. 즉 분자 속도가 빨라지는 것과 함께 기체 분자의 수까지 늘어나 압력 상승이 더욱 가속되는 것입니다. 이때 캔 내부의 설계 압력의 한계를 넘어서면 금속 캔이 견딜 수 있는 응력보다 내부 압력이 커지면서 파열되고, 순간적으로 기체가 팽창하며 폭발이 나타날 수 있습니다. 감사합니다.