탄산수 흔들어서 풍선 불기 [탄산수 실험3]

풍선은 1기압 보다 약간만 커져도 불 수 있다.

예전에 풍선을 불 때 내부기압이 어떻게 변하는지 했던 실험이 있다.
https://sciencelove.com/2181

크기가 다른 두 풍선을 연결하면 어떻게 될까?(기압차이 설명)

이때 풍선을 불 때 기압이 생각보다 크지 않다는 것을 알 수 있었다.

그런데 탄산수를 흔들면 내부 기압이 3기압이 된다.
이것도 실험해 보았다.
https://sciencelove.com/2642

탄산수나 콜라와 같은 탄산음료 병을 흔들면 내부 기압은 증가할까?[탄산수실험2]

 

<풍선 불기>

두 실험을 토대로 그럼 탄산수 입구에 풍선을 씌우면 풍선을 불 수 있지 않을까? 라는 생각을 하게 되었다. 그리고 탄산수 내부 기압이 훨씬 크니까 풍선이 부풀어 오르다 터질지도 모르겠다는 생각도 했다.

그런데 실제로 실험해 보니 예상과 달리 풍선은 약간 부풀어 오를쁜 더 이상 커지지 않는다.
이해할 수 없다. 압력차이가 난다면 기체가 이동해야 하고 계속 부풀어 올라야 할텐데...

그래서 풍선을 덮어 씌운 상태에서 탄산수 내부 기압을 측정해 보았다.

과학은 거짓말을 하지 않는다.
탄산수 내부 기압이 뚜껑을 닫고 흔들었을 때는 3기압 까지 증가했는데, 풍선을 씌우고 흔드니 1기압에서 거의 변화가 없다는 걸 알 수 있었다.

압력이 평형을 이루었기 때문에 풍선은 더 이상 팽창하지 않았던 것이다.

실험과정을 동영상으로 촬영해 보았다.

실험을 통해 풍선을 씌운 탄산수병 내부 기압이 거의 1기압에서 변하지 않는 다는 것을 확인할 수 있었다.

https://youtu.be/ykW7Wvw-TNs

나름대로 이유를 생각해 보니(나중에 검증이 필요하다. 이건 개인적인 생각일 뿐)

1. 탄산수를 흔들면 녹아있던 이산화탄소가 빠져 나오면서 동적평형이 될 때 까지 압력이 증가해야 하는데, 풍선이 약간 부풀어 오르면서 그 압력차이를 모두 받아들이는 것으로 보인다. 
보일의 법칙에 의해 기체의 압력이 풍선의 부피를 팽창시키고, 이로 인해  풍선 부피가 팽창하면서 탄산수병 안에 기압이  거의 올라가지 않는 것이다. 그리고 결국 풍선내부 기압과 탄산수병 기압이 평형을 이루는 상태에서 더 이상 부풀어 오르지 않고 멈추게 되는 것이다.

2. 탄산수에서 계속 이산화탄소가 공급되지 않을까?
생각보다 물에 녹아있는 이산화탄소양도 작고, 용존된 이산화탄소는 쉽게 물에서 빠져나오지 못한다. 조금 더 빨리 빠져 나오게 하기 위해서 흔들어 주긴 하지만, 우리가 생각하는 만큼 많은 양이 풍선내부 압력을 밀어낼 만큼 빨리 공급되지 못하는 것으로 보인다.

본 실험에서는 500ml짜리 탄산수를 사용했는데, 1.8L짜리 콜라나 탄산수를 사용하고, 온도도 조금 높이고, 멘토스를 넣어 순간적으로 빠져나오는 이산화탄소양을 늘린다면, 조금 더 크게 풍선을 불 수 있을 것이다. 하지만 풍선이 터질때 까지 팽창하지는 않고 어느정도 크기에서 평형이 이루어질 것으로 보인다.

3. 그리고 이산화탄소는 공기보다 고무풍선 막을 잘 통과한다. 그래서 탄산수병에 고무풍선을 씌워서 방치해 두면, 시간이 지나면서 오히려 고무풍선 크기는 점점 줄어들게 된다. 

<결론>

오늘 실험은 왜 풍선이 계속 부풀어 오르지 않는지가 의문이었는데

일단 풍선을 씌우고 탄산수를 흔들 때 정확한 이유는 모르지만 내부기압이 거의 증가하지 않는 다는 사실을 확인함으로써 과학적으로는 오류가 없다는 걸 알아낼 수 있었다. 

 

<제언>

 

한가지 추가 실험을 더 해보고 싶네요.

풍선 조각 으로 탄산수병 입구를 막고 이산화탄소가 빠져 나가지 않게 고무줄로 고정한 다음, 탄산수를 흔들었을 때 내부기압이 어떻게 변하는지 확인해 보면,

내부압력이 올라가지 않는 이유가 고무막을 통해 빠져나가는 이산화탄소 때문인지, 아니며 풍선이 부풀어 오르면서 부피가 팽창했기 때문인지 확인 할 수 있을 듯 합니다.  

 

<탄산수 흔들어서 풍선 터뜨리기 성공(추가실험)>

처음 실험에서 풍선 부풀어오르는 것만 확인하고 예상처럼 터뜨리지는 못했다.
생각해본 이유는 탄산수 내부기압이 증가하지만 풍선의 부피가 증가하면서 보일의 법칙에 의해 탄산수병 내부 압력이 떨어지면서 압력이 평형상태에 도달했기 때문이다.
지속적으로 이산화탄소 공급이 이루어지면 되지만, 탄산수에 녹아 있는 이산화탄소 양에 한계가 있고, 어느정도 이산화탄소가 더 공급이 되어도, 풍선이 조금 더 부풀어 오르면서 평형상태를 만드는 것으로 보인다. 
탄산수 병안에 넣어 놓은 주사기를 보면, 부피가 거의 변하지 않는다.  1기압을 유지하는 것으로 보인다.

그래서 추가로 풍선조각을 이용해서 탄산수 입구를 막아 보았다. 

이산화탄소가 세어나오지 않을 때까지 고무줄 10개 정도를 이용해서 입구를 단단히 막았다. 그리고 탄산수를 흔드니 풍선이 부풀어 오른다. 탄산수병 내부 기압도 1.1기압 정도로 높아 졌다. 풍선을 불 때 1기압 보다 조금만 더 커도 풍선을 불 수 있다.

즉 탄산수 병 내부기압이 풍선내부 기압보다 커졌기 때문에 풍선이 부풀어 오르기 시작한다. 그리고 풍선조각을 사용했기 때문에 풍선부피가 커지는 데도 한계가 있다. 탄산수병 내부 기압이 쉽게 떨어지지 않게 된 것이다.

처음 예상한대로 기압차에 의해 풍선은 계속 부풀어 올랐고, 부풀어 오르는 동안 탄산수 내부 기압은 1.1 기압 정도를 계속 유지했고, 결국 풍선은 부풀어 오르다 터져 버렸다. (탄산수병에 미리 넣어논 주사기 부피가 1.0ml에서 0.9ml 로 감소한 걸 볼 수 있었다.)

풍선이 부풀어 오르면 풍선내부 압력도 증가할 거라 생각하지만 풍선이 부풀수록 풍선 내부기압은 오히려 감소한다. 따라서 탄산수병 내부기압이 1.1 기압으로 유지가 되면 풍선은 터질 때 까지 부풀어 오르게 할 수 있다.

어제 실패한 실험을 토대로 풍선조각을 사용해서 결국 예상대로 성공시켰다.

성공한 영상은 아래 링크 참고

https://youtu.be/9wG0yosa-5A