[안현정 선생님의 과학은 껌이다] Part 19. 뜨겁지 않아도 끓어오르는 물

안녕하세요. 과학 교육 전문가 안현정입니다.
여러분들께서는 얼음물로 물을 끓일 수 있다는 사실을 알고 계시나요? 우리의 상식과는 정반대인지라 자꾸만 고개를 갸웃거리게 된다면, 오늘 시간 보여드릴 실험이 무척이나 흥미로우실거라는 생각이 듭니다. 놀랍게도 압력과 끓는점의 관계를 잘 이용한다면 뜨겁지 않아도 끓고 있는 모습의 물을 관찰할 수 있다고 하는 데요. 오늘 시간, 뜨겁지 않아도 끓어오르는 물을 한번 만나보겠습니다.

[압력과 끓는점의 관계]

우리가 ‘끓는다’라고 표현하는 것은 액체 물질의 분자 운동이 활발해져서 분자간의 인력을 이기지 못하고 서로 떨어진 뒤, 대기압을 이기고 도망가는 것을 말합니다. 이 때 액체의 내부와 외부에서 모두 기화(액체에서 기체로 변하는 현상)가 일어나게 된답니다.

만약 외부 압력이 크다면 압력에 눌려서 이 물질의 분자들은 쉽게 도망가지 못하게(끓지 않게)되고, 외부압력이 작다면 이 물질의 분자들은 쉽게 도망가게(끓게) 됩니다.

끓는점은 어떤 물질이 끓는 동안 일정하게 유지되는 온도로 같은 압력에서 분자간 인력이 큰 물질 일수록 끓는점이 높아지게 됩니다. 먼저 끓음이 일어나기 위해서는 액체 내에서 주변의 물에 의한 압력과 대기압을 견딜 수 있을 만큼의 압력이 큰 기포가 형성되어야 한답니다. 액체(물) 물질의 온도가 높아지면 어느 순간 액체(물)의 증발 속도와 기체(수증기)의 응축 속도가 같아지는 동적 평형 상태에 도달하게 되고 이때의 온도를 끓는점이라고 합니다.

이 때 외부 압력이 크면 물질 속의 분자들이 쉽게 도망가지 못하게 됩니다.
물질이 끓기 까지 더 많은 에너지가 필요하게 되고, 이 많은 에너지를 가지기까지는 온도가 높아야 되기 때문에 ‘외부압력이 높아지면 끓는점이 높아지는 것’ 입니다. 이와 같은 원리로 외부압력이 낮아지게 되면 끓는점 또한 낮아지게 됩니다.

찬물로 물 끓이기

1. 준비물
가열 장치, 둥근바닥 플라스크, 물

2. 실험 준비
둥근바닥 플라스크 안에 물을 넣고 가열장치 위에 올려둔다.

3. 실험
1) 가열장치로 물을 끓인다.
- 1기압에서 물의 끓는점은 100℃ 이므로 100℃에 도달했을 때 물은 끓게 된다.
2) 불을 끄고 플라스크의 입구를 고무마개로 막고 거꾸로 회전 시켜 고정한다.
3) 장치하는 와중에 물의 온도는 100℃ 이하로 내려간 상태이다.
4) 둥근바닥 플라스크 위로 차가운 물을 부어준다.

4. 실험 결과
100℃ 보다 낮은 온도에서 둥근바닥 플라스크 안의 물이 끓는다.

5. 정리
처음에 가열장치로 물을 끓이게 되면 둥근바닥 플라스크 안의 물이 수증기가 된다. 이 수증기로 인해 플라스크 내부의 공기가 밀려나고 물의 윗부분은 수증기로 가득 채워지게 된다. 플라스크를 입구를 막고 뒤집어 용기에 차가운 물을 붓게 되면 둥근바닥 플라스크 내부의 수증기들이 냉각되어 물방울로 응결된다. 수증기가 물방울로 변하면서 자연히 둥근바닥 플라스크 내부의 기체의 양이 줄어들게 되어, 플라스크 내부의 압력이 감소하게 되는 것이다. 즉 압력이 낮아지면 끓는점이 낮아지게 되므로 100°C이하의 온도에서도 물이 끓을 수 있다.

감압 용기로 물끓이기
1. 준비물
따뜻한 물, 감압용기

2. 실험
1) 감압용기 안에 따뜻한 물을 넣어준다
2) 펌프를 이용하여 내부의 공기를 빼내면서 관찰한다.

3. 실험 결과
따뜻한 물이 끓는다.

4. 정리
펌프로 공기를 빼내면 감압용기 내부 공기의 양이 줄어들게 된다. 즉, 용기 내부압력이 낮아지면서 물의 끓는점이 낮아져 따뜻한 물이 끓을 수 있다.

압력과 끓는점의 이용
[고도계가 없던 19세기]
등산을 할 때 높은 곳으로 올라갈수록 기압이 낮아져 끓는점이 낮아지게 된답니다. 고도계가 없이 등산하던 등산가들은 물의 끓는점으로 고도를 예측했습니다.

[압력솥]
압력솥은 솥 안의 압력을 높여서 단시간에 음식을 조리하는 기구입니다. 밀폐된 압력솥 안에서 수증기가 모여 압력이 증가하게 되고 끓는점이 높아져 밥이 빨리 익게 됩니다.

[통조림 고온 살균]
통조림을 가공할 때는 고압 용기를 이용해 단시간에 높은 온도에서 살균하게 됩니다. 따라서 낮은 온도에서 죽지 않는 균을 제거할 수 있습니다.

[부탄 가스]
부탄 가스는 기체 상태의 프로페인과 뷰테인을 액체 상태로 바꿔 용기에 넣게 된답니다. 이 때 높은 압력을 가해 끓는점을 높이면 굳이 냉각하지 않아도 상온에서 쉽게 액화된답니다.

출처= 이투스me 안현정 강사

동아닷컴 교육섹션 정민아기자 mina@donga.com