사람들의 상식에서 물은 100℃ 에서 끓는다고 알려져 있다.
어떤 사람들은 물이 99℃ 에서는 전혀 끓지 않다가 1℃만 높아지면 끓는다는 말을 하기도 하는데, 물을 가열하면 전체적으로는 100℃ 가 안 되었어도 국부적으로는 100℃ 가 되어서 물이 끓게 된다. 그리고 대기압이 낮아지면 끓는점도 낮아진다.
액체가 끓는다는 것은 증기압이 주변 압력과 같아졌다는 의미이므로, 주변 압력을 해당 온도의 증기압보다 낮게 만들면 물이 끓게 할 수 있다.
TV 등에서 대형 진공 챔버에 물을 넣고 끓이는 실험을 하곤 하는데, 집에서 간단히 주사기를 이용하여 같은 실험을 할 수 있다.
실험을 위해 필요한 재료들이다.
온도계, 주사기(60mL), 진공압력계(Vacuum Pressure Gauge), 물컵 이다.
진공압력계는 구하기가 쉽지 않고, 실험에 직접적으로 필요하지는 않으므로 주사기와 물만 있으면 된다.
주사기는 밀봉되어야 하므로 주사바늘을 자른 후에 글루건과 라이터로 밀봉을 한다.
진공압력계는 바늘이 거꾸로 움직이는 방식이다. mmHg(inHg) 와 bar 로 표시되어 있다.
60mL 주사기를 연결해서 당겨보니 0.08bara 정도의 압력까지 진공을 생성할 수 있다. 압력계에는 대기압을 0으로 잡아서 - 압력(진공도)으로 표시되어있다.
bara = bar absolute 의 의미로 절대진공을 0 으로 보는 압력단위이다. 우리가 생활하는 지표면은 대기압이 작용하고 있으므로 1.013 bara 의 압력이 가해지고 있다고 생각할 수 있다.
압력의 단위에 별 다른 설명이 없으면 대기압을 0 으로 보는 단위라고 할 수 있다.
주사기의 바늘 끝을 잘라낸 다음 글루건으로 밀봉하였다.
50℃ 로 가열한 물을 주사기에 담는다. 너무 적게 담으면 물이 빨리 식어버려서 끓는 모습을 관측할 시간이 짧아지고, 너무 많이 담으면 진공을 생성할 공간이 적어져서 물이 잘 끓지 않게 된다. 주사기에 빨아들일 물의 양은 15~20mL 가 적당하다.
주사기 내부의 공기는 최대한 제거해야 한다. 그렇지 않으면 물이 끓는 모습을 보기 어려울 수 있다.
50℃ 의 물이 담긴 주사기를 당겨서 진공을 형성했더니 물이 끓는 것을 볼 수 있다.
이 물은 열원이 없으므로 물이 끓으면서 물의 온도는 점점 내려가게 된다. (결국 당겨도 끓지 않는 시점이 온다. )
그리고 물에 녹아있던 공기가 나오면서 진공이 떨어지므로 중간에 기포방울을 내보내야 끓는 모습이 잘 관찰된다.
고무에서 공기가 새어들어가는것처럼 보일 수 있으므로 주사기를 눕혀서 같은 실험을 해 보았다.
외부공기가 들어올 수 없는 부분에서 기포가 발생하여 물이 끓는 모습을 볼 수 있다.
위의 영상은 이 실험을 진행하는 과정을 담은 영상이다.
이 실험은 50℃ 의 물을 이용하므로 화상의 위험이 없는 안전한 방법이라고 할 수 있다. 하지만 주사기가 매우 뻑뻑해서 7kg 아령을 들어올리는 정도의 힘을 가해야 주사기가 당겨진다.
주사기로 생성한 진공 압력은 0.083 bara 정도 된다. kPa(킬로파스칼) 로 환산하면 8.3 kPa 이 되는데, 이 압력은 물의 삼중점보다 높은 압력이다. 따라서 물이 액체로 존재하는 구간이 생기게 된다.
지구의 대기압은 1bar (100kPa) 정도 되지만 공기가 날아가서 대기압이 낮아지면, 물이 액체로 존재하는 구간이 짧아지게 될 것이다.
삼중점보다 낮은 압력을 형성하는 경우, 물의 온도가 점점 떨어지다가 결국 물이 얼게 된다.
물은 다른 물질과 다르게, 압력이 높아지면 녹는점도 낮아진다. 따라서 빙하처럼 매우 큰 얼음인 경우 아래쪽은 매우 높은 압력이 가해지게 되어 얼음이 녹아서 물이 되는 부분이 생길 것이라고 생각할 수 있다. 따라서 아주 추운 지방의 빙하라고 해도, 아래쪽이 녹아서 윤활작용을 하게 되어 빙하가 점점 아래로 이동하는 효과를 가져오게 된다.
화성의 대기압은 0.6 kPa 정도로 물의 삼중점에 근접해 있으므로 물이 액체로 존재하는 구간이 아주 짧거나 없게 된다. 따라서 물이 액체로 존재하기 어려운 조건이 된다. 그리고 사람의 체온이 36.5℃ 이므로 화성에 맨몸으로 가게 되면 체액이 끓게 되어 몸이 터지게 될 것이다. 화성에서 고체의 물(얼음)은 곧바로 수증기가 되는 형태로 순환을 할 것이라고 추정할 수 있다.
화성에 물이 흐른 흔적이 보이는 것을 보면, 과거에는 대기압이 현재보다 높았고, 어떤 원인에 의해 대기가 사라졌다고 추정할 수 있다.
이산화탄소의 삼중점은 대기압보다 높은 지점에 있어서, 대기압에서는 이산화탄소가 고체 또는 기체로만 존재할 수 있다. 따라서 드라이아이스는 액체가 되지 않고 바로 기체로 승화하게 된다.
온도와 압력을 계속 높여서 임계상태(Critical Point) 를 넘기게 되면, 액체와 기체의 성질을 모두 갖는 초임계상태의 물질이 된다.
Applied Science 라는 유튜버가 아크릴판과 금속을 가공해서 초임계상태의 이산화탄소를 볼 수 있는 장치를 만들었다.
아크릴판과 금속을 가공해서 내부에 드라이아이스를 넣은 후, 밀봉하면 위의 사진과 같은 형태가 된다. 액체의 이산화탄소와 기체의 이산화탄소가 공존하는 상태이다.
히터를 달아서 온도를 높이면 압력도 높아지게 되고 초임계상태의 이산화탄소가 된다. 초임계상태의 이산화탄소는 액체와 기체의 성질을 모두 갖게 되어 액체와 기체의 경계면이 사라지는 것을 볼 수 있다.
이 현상은 커피에서 카페인을 추출하는 공정에 이용되고 있다.
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