기압ㆍ불순물 등 영향 평형상태 깨져
물 어는점 0도보다 낮아져도 안얼어
물이 섭씨 0도에서 얼어서 얼음이 되고, 섭씨 100도가 되면 끓어서 수증기가 된다는 것은 누구나 알고 있는 기본적인 과학 상식이다. 문제는 그것이 전부가 아니라는 것이다. 섭씨 0도보다 더 낮은 온도에서도 물이 얼지 않는 경우가 있다는 뜻이다. 다른 물질이 섞여있어서 그렇게 되기도 하지만 순수한 물의 경우에도 그럴 수가 있다.
압력이 1기압인 경우에 순수한 물은 섭씨 0도가 되면 얼어서 고체의 얼음이 된다. 그렇게 만들어진 얼음은 온도가 다시 영상으로 올라가면 녹아서 액체의 물이 된다. 만약 섭씨 0도에서 물과 얼음을 섞어놓으면 겉으로는 아무 변화가 일어나지 않는다. 얼음이나 물의 양이 줄어들거나 늘어나지 않는다는 뜻이다. 화학에서는 그런 상태를 `평형'이라고 하고, 물과 얼음이 평형을 이루고 있는 섭씨 0도를 물의 `어는점'이라고 부른다. 모든 물질은 독특한 어는점을 가지고 있다. 어는점이 물질의 정체를 밝혀내는 매우 중요한 정보가 되기도 한다.
그런데 온도가 섭씨 0도보다 내려간다고 무조건 물이 얼어붙어 버리는 것은 아니다. 우선 물 속에 불순물이 섞여 있으면 영하의 온도에서도 물이 얼지 않는다. 처마에는 고드름이 주렁주렁 달린 추운 겨울날에도 장독대의 간장은 여간해서 얼지 않는다. 간장 속에 들어있는 소금이 물 분자의 엔트로피를 증가시켜 주기 때문이다. 자동차 냉각수에 넣어주는 에틸렌글리콜이라는 부동액도 똑같은 역할을 한다. 불순물의 양이 많아질수록 물이 어는 온도는 더욱 낮아진다. 그래서 자동차에 넣어주는 부동액의 양은 그 지역의 날씨가 얼마나 추워지는가에 따라 적절하게 조절해야만 한다. 그런 부동액이 물의 끓는 온도를 높여주어서 엔진이 과열되는 것을 막아주는 일석이조(一石二鳥)의 효과를 내기도 한다.
압력이 높아져도 물이 잘 얼지 않게 된다. 압력이 높아지면 어는점이 내려간다는 뜻이다. 압력이 높아지면 더 쉽게 얼게 되는 일반적인 물질과는 정반대의 성질이다. 겨울에 수도관이 얼어서 터지는 것이 바로 물의 그런 독특한 특성 때문이다. 산소의 양쪽에 두 개의 수소가 구부러진 각도로 결합된 물 분자들이 얼어서 얼음이 되면 분자들 사이에 빈 공간이 만들어지기 때문에 나타나는 특성이다. 그러나 압력에 따라 물이 어는 온도가 변하는 정도는 매우 작다. 압력이 100기압이 되어도 어는 온도는 2도 정도 내려갈 뿐이다.
얼음이 생기는 속도가 느려서 물이 얼지 않는 것처럼 보이는 경우도 있다. 얼음이 되려면 물 분자들이 특별한 모양으로 배열되어야 한다. 시간이 필요한 일이다. 그래서 물 분자들을 끌어당겨서 특별한 모양으로 배열시키는 역할을 하는 이물질이 있으면 얼음이 쉽게 만들어진다. 만약 얼음의 핵으로 작용할 이물질이 없는 깨끗한 물을 너무 빨리 냉각시켜버리면 물 분자들이 얼음의 구조를 만들지 못하게 되는 경우가 생긴다. 어는점보다 낮은 온도에서도 얼지 않는 경우가 생긴다는 뜻이다. 그런 상태는 지나치게 냉각되었다는 뜻으로 `과냉각 상태'라고 부른다.
물의 온도가 그렇게 낮지 않을 경우에는 그런 과냉각 상태가 비교적 쉽게 관찰된다. 순수한 물이 영하 5도 정도까지는 쉽게 얼지 않는 것이 그런 이유 때문이다. 물의 과냉각 상태는 영하 39도까지 관찰되는 것으로 알려져 있다. 과냉각 상태는 매우 불안정하기 때문에 물을 저어주거나 물이 담긴 그릇의 벽을 두들겨주기만 해도 순식간에 얼음으로 변해버린다.
스키장의 인공 제설 장치의 경우에는 그런 과냉각 상태가 문제가 될 수 있다. 과냉각을 막기 위해 온도를 더 낮추어야 하기 때문이다. 자연에 대한 우리의 과학 상식은 엄청나게 발전했지만 아직도 액체의 물이 고체의 얼음으로 변화하는 과정에 대해서는 제대로 이해하지 못하고 있다. 아직도 알아내야 할 과학 문제가 많이 남아있다는 뜻이다.
물 어는점 0도보다 낮아져도 안얼어
물이 섭씨 0도에서 얼어서 얼음이 되고, 섭씨 100도가 되면 끓어서 수증기가 된다는 것은 누구나 알고 있는 기본적인 과학 상식이다. 문제는 그것이 전부가 아니라는 것이다. 섭씨 0도보다 더 낮은 온도에서도 물이 얼지 않는 경우가 있다는 뜻이다. 다른 물질이 섞여있어서 그렇게 되기도 하지만 순수한 물의 경우에도 그럴 수가 있다.
압력이 1기압인 경우에 순수한 물은 섭씨 0도가 되면 얼어서 고체의 얼음이 된다. 그렇게 만들어진 얼음은 온도가 다시 영상으로 올라가면 녹아서 액체의 물이 된다. 만약 섭씨 0도에서 물과 얼음을 섞어놓으면 겉으로는 아무 변화가 일어나지 않는다. 얼음이나 물의 양이 줄어들거나 늘어나지 않는다는 뜻이다. 화학에서는 그런 상태를 `평형'이라고 하고, 물과 얼음이 평형을 이루고 있는 섭씨 0도를 물의 `어는점'이라고 부른다. 모든 물질은 독특한 어는점을 가지고 있다. 어는점이 물질의 정체를 밝혀내는 매우 중요한 정보가 되기도 한다.
그런데 온도가 섭씨 0도보다 내려간다고 무조건 물이 얼어붙어 버리는 것은 아니다. 우선 물 속에 불순물이 섞여 있으면 영하의 온도에서도 물이 얼지 않는다. 처마에는 고드름이 주렁주렁 달린 추운 겨울날에도 장독대의 간장은 여간해서 얼지 않는다. 간장 속에 들어있는 소금이 물 분자의 엔트로피를 증가시켜 주기 때문이다. 자동차 냉각수에 넣어주는 에틸렌글리콜이라는 부동액도 똑같은 역할을 한다. 불순물의 양이 많아질수록 물이 어는 온도는 더욱 낮아진다. 그래서 자동차에 넣어주는 부동액의 양은 그 지역의 날씨가 얼마나 추워지는가에 따라 적절하게 조절해야만 한다. 그런 부동액이 물의 끓는 온도를 높여주어서 엔진이 과열되는 것을 막아주는 일석이조(一石二鳥)의 효과를 내기도 한다.
압력이 높아져도 물이 잘 얼지 않게 된다. 압력이 높아지면 어는점이 내려간다는 뜻이다. 압력이 높아지면 더 쉽게 얼게 되는 일반적인 물질과는 정반대의 성질이다. 겨울에 수도관이 얼어서 터지는 것이 바로 물의 그런 독특한 특성 때문이다. 산소의 양쪽에 두 개의 수소가 구부러진 각도로 결합된 물 분자들이 얼어서 얼음이 되면 분자들 사이에 빈 공간이 만들어지기 때문에 나타나는 특성이다. 그러나 압력에 따라 물이 어는 온도가 변하는 정도는 매우 작다. 압력이 100기압이 되어도 어는 온도는 2도 정도 내려갈 뿐이다.
얼음이 생기는 속도가 느려서 물이 얼지 않는 것처럼 보이는 경우도 있다. 얼음이 되려면 물 분자들이 특별한 모양으로 배열되어야 한다. 시간이 필요한 일이다. 그래서 물 분자들을 끌어당겨서 특별한 모양으로 배열시키는 역할을 하는 이물질이 있으면 얼음이 쉽게 만들어진다. 만약 얼음의 핵으로 작용할 이물질이 없는 깨끗한 물을 너무 빨리 냉각시켜버리면 물 분자들이 얼음의 구조를 만들지 못하게 되는 경우가 생긴다. 어는점보다 낮은 온도에서도 얼지 않는 경우가 생긴다는 뜻이다. 그런 상태는 지나치게 냉각되었다는 뜻으로 `과냉각 상태'라고 부른다.
물의 온도가 그렇게 낮지 않을 경우에는 그런 과냉각 상태가 비교적 쉽게 관찰된다. 순수한 물이 영하 5도 정도까지는 쉽게 얼지 않는 것이 그런 이유 때문이다. 물의 과냉각 상태는 영하 39도까지 관찰되는 것으로 알려져 있다. 과냉각 상태는 매우 불안정하기 때문에 물을 저어주거나 물이 담긴 그릇의 벽을 두들겨주기만 해도 순식간에 얼음으로 변해버린다.
스키장의 인공 제설 장치의 경우에는 그런 과냉각 상태가 문제가 될 수 있다. 과냉각을 막기 위해 온도를 더 낮추어야 하기 때문이다. 자연에 대한 우리의 과학 상식은 엄청나게 발전했지만 아직도 액체의 물이 고체의 얼음으로 변화하는 과정에 대해서는 제대로 이해하지 못하고 있다. 아직도 알아내야 할 과학 문제가 많이 남아있다는 뜻이다.
