늘어나는 엔트로피, 줄어드는 슈링크 포장의 원리

가만히 있어도 땀이 나는 더운 여름입니다. 기온이 높아지면서 종종 기차 선로가 탈선을 했다거나, 타이어 속 공기가 팽창해 폭발했다는 사고 소식이 들려오는데요. 이런 현상과는 반대로 열을 가하면 오히려 줄어드는 물질이 있다고 합니다. 과연 어떤 물질일까요?

 

 

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열을 가하면 줄어든다고?! 슈링크 포장의 원리

   

마트에 가면 생수나 휴지가 얇은 플라스틱 비닐 포장재에 쌓여 있는 것을 보셨을 겁니다. 물건을 감싼 플라스틱 비닐은 생수 병이나 휴지 묶음에 딱 달라붙은 상태로 상품을 움직이지 않게 해주는데요. 이와 같이 얇은 플라스틱을 수축시켜 상품 훼손을 방지하고 움직이지 않게 고정하는 포장법을 바로 슈링크 포장, 또는 수축 포장이라고 합니다.

슈링크 포장 필름은 폴리에틸렌 등 일반적인 플라스틱을 가공해 필름 형태로 만든 것으로 열을 가하면 부피가 수축하는 성질을 이용한 것입니다. 그런데 일반적으로 온도가 올라가면 물질의 부피가 늘어나는 특성과는 반대되는 현상이기에 불가사의하게 느껴지는데요. 이러한 현상이 일어나는 이유는 무엇일까요?  

 

 

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고분자가 쪼그라드는 현상

  

슈링크 포장 필름에 열을 가했을 때 줄어드는 이유는 포장 필름의 재료 때문입니다. 슈링크 포장에 쓰이는 플라스틱은 유기 분자가 사슬처럼 길게 이어져 있는, ‘고분자’가 모여 만들어지는데요. 이 고분자는 열을 가하면 줄어드는 특성이 있습니다. 

이 현상을 ‘고프-줄 효과(Gough-Joule effect)’이라고 하는데요. 영국의 과학자 ‘존 고프’가 1802년에 처음 발견하고 1850년대에 ‘제임스 줄’이 심화 연구를 해서 이름 붙여졌다고 합니다. 존 고프는 고무가 열을 가하면 수축하고 식히면 늘어나는 것에서 이 현상을 발견했죠. 

 

 

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열에너지와 함께 늘어나는 무질서도

   

고무의 분자는 탄소가 수소에 둘러싸여 있는 구조로, 서로 수없이 연결되어 ‘끈(사슬)’ 모양이 형성됩니다. 수축하면 긴 끈이 마구잡이로 얽혀있어 무질서도가 증가한 상태가 되지만, 잡아당기면 분자들이 옆으로 정렬하면서 쫙 펴진 그물 형태가 되는데요. 이 때 분자가 규칙적 배열을 이루며 무질서도가 낮아지게 됩니다. 

이러한 현상은 ‘엔트로피’로 설명할 수 있는데요. 열역학 2법칙에 따르면 물체는 열이 오르면 무질서도, 즉 엔트로피가 증가합니다.  엔트로피가 증가한다는 것은 결합이 느슨해지거나 사슬이 어질러져 무질서한 상태가 된다는 것이죠.

▶열역학 2법칙은 무엇일까요? 더 알아보기

[쉽게 읽는 과학 3] 열역학 2법칙

 

 

 

정리하자면 고무는 열을 가하면 엔트로피가 커지고 수축 상태가 됩니다. 플라스틱 또한 고무와 같이 분자들이 사슬처럼 이어진 고분자가 모여 만들어지는데요. 마찬가지로 열을 가하면 무질서도는 증가하고 분자간 거리는 가까워집니다. 결국, 슈링크 포장 필름은 이와 같이 열을 가하면 쪼그라드는 원리를 사용해 물건을 포장하는 것이죠.

 

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금속의 열팽창, 플라스틱의 열수축

   

위의 내용을 보다 보면, 열팽창과 관련한 궁금증을 가질 수도 있는데요. 여름철 빵빵해지는 타이어, 부피가 커져 어긋나는 철도 선로 등은 엔트로피와 관계가 없는 것일까요?

아닙니다. 금속이나 기체가 열을 받으면 팽창하는 것도 엔트로피의 상승과 연관이 있습니다!

금속이나 기체의 경우 열을 받으면 엔트로피가 증가하고, 분자 간 결합이 약해지면서 분자 활동이 활발해집니다. 분자의 이동이 늘어나면서 부피가 늘어나게 되죠. 반면 고분자 소재는 엔트로피가 늘어나면 팽팽한 사슬이 느슨해지면서 부피가 줄어드는 것이 차이점입니다. 

열 수축 필름은 제조과정에서 분자를 정렬시켜 엔트로피가 작은 상태로 만듭니다. 이 필름을 라면, 음료 병 등 다양한 생필품에 감싸 가열해 수축, 포장하죠. 열팽창 만큼이나 우리 주변에서 자주 만날 수 있는 열 수축 포장! 화학의 힘이 작용한 기술이 숨어있었다는 점을 기억해주세요~

 

 

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종합 케미칼 & 에너지 리더,

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