찬물로 물을 끓여보자










1. 왜 그럴까?

물이 공기 1기압 상태일 때 100℃ 온도에서 끓는다는 것은 물 분자가 열에너지를 받으면 분자 운동이 자유로와져 공기 중으로 퍼져 나가는 것을 말하며 이와같이 공기중으로 퍼져 나가는 물분자들을 수증기라고 한다.

실험에서와 같이 둥근플라스크의 물이 끓기 시작하면 플라스크 안에는 물과 수증기가 빈 공간을 가득 채우게 되며 이 때 수증기는 물에게 압력을 가하게 된다. 이러한 수증기의 압력은 물이 끓기전 공기의 압력과 같이 물이 끓어 오르는 것을 방해하는 상태이며, 끓던 물을 마개로 막아 뒤집어 세워두면 그 동안에 식어서 물이 끓지 않고, 그 플라스크 안에는 100℃가 안 되는 물과 수증기가 들어 있게 된다. 이 수증기의 압력을 제거하게 되면 낮은 온도에서도 물이 끓어 오르는 현상을 보이게 되는 것이다. 바로 플라스크 안의 수증기에 찬물을 부어 플라스크 안의 온도를 낮추면 내부를 채우고 있던 수증기가 물방울로 바꾸게 되고 수증기가 있던 자리는 부분 진공이 되어 둥근플라스크 안의 물은 낮은 온도에서도 끓게 되는 것이다.

플라스크의 내부 기압이 내려가는 것을 확인해 보고 싶으면 고무마개에 유리관을 꽂아 고무관을 연결하고 그 끝을 물에 담가 두었다가 찬물을 부으면 기압차에 의해 밑에 있는 물이 플라스크 안으로 올라가서 분수가 생기는 것을 확인할 수 있다.

2.끓는다는 것은?

녹아서 흘러 다니는 물이나 용광로 속의 쇳물 같은 액체는 열에너지를 더 받으면 더욱 자유로와져서 증기가 되어 공기 중으로 퍼져 나간다. 즉 끓어서 기체가 되어 날아간다. 물과 쇳물은 각기 다른 온도에서 끓게 된다. 물은 100℃, 쇳물은 2800℃에서 끓는다. 이와 같이 각각의 물질들은 각기 다른 온도에서 끓기 때문에 이 때의 온도를 그 물질의 ‘끓는점’이라고 하여 물질의 특성이 된다.

차를 타 마시려고 맹물을 끓일 때와 찌개를 끓일 때를 한 번 생각해 보자. 맹물은 쉽게 끓지만 찌개 국물은 쉽게 끓지 않는다. 또 끓는 점에 영향을 주는 것은 공기의 압력이다. 끓으면 수증기가 공기 중으로 날아가기 때문에 공기의 압력과 매우 밀접한 관계를 가지고 있다. 물이 끓는다는 것은 공기가 누르는 압력(대기압)과 자유로워진 수증기 분자들이 튀어 나가려는 압력이 서로 같다는 말이다. 따라서 대기압이 기압보다 낮은 곳에 가면 물은 훨씬 쉽게 끓게 된다. 반대로 대기압이 높은 곳에 가면 물이 여간해서 잘 끓지 않는 것이다.

이 실험에서 플라스크 속에서 끓고 있던 물이 불을 끄면 더 이상 끓지 않고 멈춰 버린다. 여기에 찬물을 부으면 플라스크 속의 수증기가 물로 응결되어 공기 압력이 밖의 대기압보다 매우 낮아지게 된다. 즉, 기압이 낮아지면 낮은 온도에서 물이 다시 끓게 되고 고무관의 집게를 제거하면 대기압이 누르고 있는 수조의 물이 기압이 상대적으로 낮은 플라스크 속으로 들어가게 됩니다.

[응용발전]

1. 분자의 운동
물을 가열하면 왜 끓어오를까요? 분자의 운동에너지가 커지기 때문입니다. 모든 물질은 원자 또는 분자로 되어 있습니다. 그리고 원자나 분자는 물질의 상태에 따라 독특한 운동을 합니다.

형태가 딱딱하게 결정돼 있는 고체에서는 분자들이 서로 강하게 결합돼 있어 진동하는 정도에 그치지만 액체에서는 분자간의 인력이 약해 느릿하게 움직이고 기체상태에서는 격렬하게 날아 다닙니다. 물이 가열되면 가열될수록 물분자의 운동에너지가 커지고 분자간의 인력을 이겨낼 수 있게 됩니다. 그러면 분자들은 어떻게 될까요? 인력을 이겨낼 수 있을 정도의 운동에너지를 가져 움직이기 쉬워지겠지요? 그러다가 분자의 운동에너지가 분자사이의 인력보다 커지면 기체가 되어 증발하기 시작합니다. 이 때 내리누르는 공기의 압력이 내부에서 만들어진 수증기의 압력과 같게 되면 끓기 시작합니다. 이 현상이 바로 끓는 것입니다. 공기의 압력이 1기압인 경우는 섭씨 1백도에서 끓게 됩니다.



2. 기압과 끓는점의 관계
액체위에 공간을 남겨준 채로 액체가 닫힌 용기에 담겨 있을 때, 일부는 증기로 변합니다. 이 증기에 의한 압력이 바로 액체의 증기압입니다. 닫힌 용기를 열었을 때 대기압이 증기압보다 크면 액체에 눈에 띄는 변화는 없습니다. 그러나 대기압이 증기압보다 같거나 작으면 액체는 끓습니다. 끓을 때 액체에서 증기기포가 형성되어 표면으로 올라옵니다. 따라서 외부 압력이 높아지면 액체의 증기압이 높아져야 끓게되고 따라서 끓는점이 높아집니다. 반대로 압력이 낮아지면 온도가 낮아도 끓게 됩니다.

3. 압력 밥솥에서는 밥이 왜 빨리 될까요?
압력 밥솥은 말 그대로 압력이 큰 밥솥입니다. 다른 밥솥에 비해 무겁고 밀폐가 잘 돼서 밥솥 안의 물이 끓어도 김이 바깥으로 새어 나오지 않습니다. 그렇다면 왜 밥이 빨리 될까요? 압력밥솥으로 밥을 지을 때 내부의 기압은 대기압의 1.3배, 온도는 섭씨 125도 정도까지 올라갑니다. 이렇게 밥솥의 온도가 높아지면 밥이 빠르고 맛있게 지어집니다. 혹시 가마솥을 아십니까? 쌀이 한 가마니는 들어갈 것같이 커다란 무쇠솥에 장작불을 때서 밥을 짓는 솥입니다. 이 솥으로 밥을 지으면 아주 맛있습니다. 왜 그럴까요? 압력밥솥과 똑같은 원리가 적용됩니다. 가마솥의 뚜껑은 솥과 같이 무거운 쇠로 되어 있지요? 이 솥뚜껑 덕분에 밥을 지을 때 솥 안의 공기압력이 올라가 밥이 맛있게 지어집니다. 사실 압력밥솥은 가마솥을 본떠 만들어진 것입니다. 우리 조상들의 지혜를 빌린 것이지요.

4. 기압차를 이용한 식품제조
기압차를 이용한 원리는 식품제조 과정에서도 활용되기도 합니다. 수분이 많은 식품을 말리는데 이용되는 동결건조라는 기술이 그 것입니다. 김치를 냉동실 속에 넣으면 어떻게 될까요? 물론 얼어버립니다. 이것을 다시 진공 속에 넣으면? 김치 속의 얼음은 바로 수증기로 승화되어 없어지고 바싹 마른 고체 성분만 남게 됩니다. 이렇게 하여 쇠고기, 새우, 야채 등이 원형 그대로 건조되면서 향기와 맛 등은 최대한 보존할 수 있다고 합니다. 우리 주변에서는 주로 라면 스프의 제조 과정에 사용됩니다.