[과학을읽다]'입김'은 '핫&콜' 두 가지?

뜨거운 호빵은 '후~'하고 불어서 식혀 먹습니다. [사진=유튜브 화면캡처]

[아시아경제 김종화 기자]"손이 시려워 꽁! 발이 시려워 꽁! 겨울 바람 때문에 꽁! 꽁! 꽁!" 모두가 잘 아는 '겨울 바람'이란 동요입니다. 이 동요를 들으면 '하~'하고 부는 따뜻한 '입김'이 생각납니다.

그런데 입김이 따뜻한 것만은 아닙니다. 차가운 입김도 있다는 사실 아시나요? 추울 때는 두손을 모으고 '하~'하고 따뜻한 입김을 불고, 뜨거운 차나 물을 마실 때는 입술을 모으고 '후~'하고 붑니다. 이 때의 입김은 차가운 입김, 즉 바람입니다.

같은 입에서 따뜻한 바람과 차가운 바람을 같이 내보낼 수 있는 것은 '단열팽창' 하기 때문입니다. 공기 덩어리가 외부와 열교환 없이 부피가 늘어나고, 온도가 낮아지는 현상입니다.

지표 근처의 공기 덩어리가 상승하면 기압(압력)이 낮아지면서 부피가 커지게 됩니다. 이때 공기는 부피가 커지는데 에너지를 다 쓰게 되면서 공기 덩어리의 온도는 낮아집니다. 이를 단열팽창이라고 합니다. 반대로 공기 덩어리가 하강하면 부피가 작아지면서 온도가 높아지는데 이를 단열압축이라고 하지요.

그렇다면, 입김은 어떻게 단열팽창할까요? 입을 크게 벌리고 '하~'하면 체온 정도의 따뜻한 공기가 나옵니다. 이는 입을 벌린 상태에서 입김을 내뿜기 때문에 이미 부피가 커진 상태에서 입안의 공기가 상대적으로 천천히 빠져 나오는 것입니다.

별다른 변화없이 입 안의 공기가 빠져 나오는 것이어서 단열팽창이나 단열압축이 일어나지 않습니다. 입 안의 따뜻한 공기가 그대로 빠져 나와 손등에 에너지를 전달하기 때문에 따뜻하게 느껴지는 것이지요.

반면, '후~'나 '호~'하고 입김을 불 때는 입술을 오므려 입김이 나오는 구멍을 좁게 합니다. 공기가 나오는 입구가 좁기 때문에 속도도 빠르고, 압력도 강해야 합니다. 입김이 작은 구멍으로 빠른 속도와 강한 압력으로 입 안에서 빠져 나가는 것입니다.

작은 구멍을 통해 입 밖으로 나온 입김은 순간적으로 압력이 낮아지면서 넓은 곳으로 팽창하게 됩니다. 입 밖의 다른 공기의 영향을 받을 새도 없이 곧바로 팽창해 기체의 온도가 낮아지는 것입니다.

부탄가스가 액체 상태에서 기체로 변하는 것도 단열팽창 현상입니다. [사진=유튜브 화면캡처]

시중에 판매하는 부탄가스가 단열팽창의 대표적인 예입니다. 액체상태인 가스가 외부로 나와 기체가 되면서 엄청난 비율로 부피가 커지는 것이지요. 불을 끄는 소화기도 원리가 같습니다. 구름의 경우도 마찬가지입니다. 대기권에서 고도가 높아질수록 공기의 압력(기압)은 낮아집니다. 압력이 낮으니 부피가 커지고, 그렇게 차츰 공기의 온도가 낮아지면 응결돼 구름이 되는 것입니다.

단열팽창의 반대인 단열압축의 예는 공기가 빵빵하게 채워진 타이어가 될 수 있습니다. 공기의 압력이 높아지면서 온도가 올라가는 현상입니다. 자동차 타이어에 공기를 빵빵하게 채울 경우 부피는 한정돼 있는데 들어오는 공기가 많아지면서 압력이 높아집니다. 이 경우 단열압축 현상이 발생하면서 빵빵해진 타이어를 만지면 따뜻한 열기가 느껴지는 것이지요.

겨울에 언 손을 녹일 때는 입을 크게 벌리고 '하~'하고, 뜨거운 차나 호빵을 먹을 때는 입술을 오므려서 '후~'하고 입김을 내뱉는 이유를 이제 아시겠지요?

김종화 기자 justin@asiae.co.kr