헬륨풍선이 하늘 높이 날아가는 이유

우리가 입으로 푼 풍선은 가만히 두면 땅으로 가라앉는데 비해 헬륨풍선은 가만히 두면 하늘 높이 날아갑니다. 왜 그럴까요?

일상 생활에서는 헬륨 풍선이 더 가벼워서 그렇다고 하면 답이 될지 모르겠지만, 물리시간에는 그 대답이 틀린 대답이 됩니다.  1kg 의 쇠공과 2kg 의 나무 중 더 가벼운 것은 쇠공입니다. 그런데, 물속에 넣으면 쇠공은 물에 가라앉지만, 보통의 나무는 물에 뜹니다. 물에 뜨거나 가라앉는 것은 가볍고 무거운 무게차이(중력의 차이)가 아니라, 중력과 부력의 차이 때문입니다. 이 차이는 밀도의 차이 때문에 생깁니다. (부력 참조)

밀도라는 어려운 용어를 쉽게 바꿔쓰면 부피당 질량입니다. 같은 부피를 가졌을 때 질량을 비교하기 위한 개념입니다. 쇠공과 나무를 같은 부피만큼 준비한다면 쇠공보다 나무가 더 가볍습니다. 같은 부피의 물보다 더 가볍다면 그 물체는 물에 뜨게 됩니다. 다시 어려운 말로 바꾸면 쇠공의 밀도가 물의 밀도보다 크고, 나무의 밀도보다는 작다는 말로 표현할 수 있습니다. 

 헬륨풍선의 밀도와 입으로 분 풍선의 밀도을 공기의 밀도를 비교하면 헬륨풍선의 밀도가 공기의 밀도보다 작아서 하늘 높이 뜨는데 비해, 입으로 분 풍선의 밀도는 공기의 밀도보다 커서 가라앉게 됩니다. 물에 뜨고 가라앉는 문제와 똑같이 공기에 대해서도 부력을 생각할 수 있고, 부력으로 설명하면 됩니다. 물리시간에 부력을 배울때 기체에 대해서도 똑같이 적용하면 된다고 말만했지 시험 문제로는 안 나오니까 이 사실을 잊었을지도 모르겠군요.

 쉬운 말로 바꿔쓰면 헬륨풍선이 공기보다 부피에 비해 더 가볍기 때문에 하늘을 떠올라갑니다.  일상적으로 하는 말속에는 ‘부피에 비해’란 말이 빠져 있는 것입니다. 

 기체에는 특이한 성질이 있습니다. 기체를 이루는 분자의 갯수가 같다면 부피가 같다는 점입니다. (아보가드로의 법칙) 기체의 부피는 기체를 이루는 물질이 무엇인가는 전혀 상관이 없습니다. 단지 그 속에 들어 있는 분자의 갯수만이 중요합니다. 기체의 부피는 물질이 결정하는게 아니라는 점입니다. (이상기체 분자의 운동 참조)

 같은 부피일 때 더 가벼운 (밀도가 낮은) 기체를 찾으려면 분자량이 작은 기체를 찾으면 됩니다. 공기는 질소(N2) 산소(O2) 아르곤(Ar) 등으로 이루져 있다고 배웠습니다. 중요한게 하나 빠졌네요. 물(H2O) 입니다. 보통 알려진 공기의 성분은 건조 공기의 성분입니다. (공기속에는 물도 많이 들어 있고 그 량이 얼마인가가 습도입니다.) 주기율표에서 이 중요한 성분들보다 분자량이 작은 기체를 찾으라고 하면 겨우 수소(H2)나 헬륨(He) 정도 밖에는 없습니다. 

 풍선을 만들어서 하늘위를 둥둥뜨게 할 수 있는 것은 수소풍선과 헬륨풍선 정도 밖에는 없는 것입니다. 수소는 아주 쉽게 폭발할 수 있습니다. 하늘을 날으는 기구를 만들때 수소로 만든 비행선를 썼다가 폭발하는 큰 사건도 있었습니다. ( 힌덴부르크 참사 ) 안전하게 하늘을 띄울 수 있는 풍선은 헬륨을 이용한 풍선인데, 헬륨기체는 아주 비싼 편에 속하는 문제가 있습니다.

  또 다른 방법은 공기를 쓰지만 열을 가하는 방법입니다. 보일-샤를의 법칙에 의하면 같은 압력이라면 온도가 높을 수록 기체의 부피가 커집니다. 열기구는 열을 가해 풍선의 밀도를 낮추는 방법입니다. 같은 원리가 풍등입니다.