[겨울시리즈6] 얼음의 팽창에 따른 문제점들!!

일반적인 물질들의 경우 액체에서 고체로 상이 변화할 때에는 부피가 줄어든다. 이러한 현상들은 매우 다행한 일인데, 만약 액체에서 고체로 변할 때 부피가 팽창한다면 도구들을 만들거나 이용할 때 많은 문제점이 나타날 것이다. 예를 들어서 수은온도계를 사용할 때 저온을 측정하고자 하다가 수은이 얼었을 때 수은의 부피가 줄어들지 않고 얼음처럼 늘어난다면 수은 온도계가 깨져버릴 것이다. -_-)

반면 물의 경우에는 액체에서와 고체에서 분자들 사이의 평균거리가 거의 변하지 않고, 결정 가운데에는 물 특유의 육각구조로 인해서 매우 넓은 공간을 만들면서 상을 바꾸므로 전체적으로 부피가 팽창하게 만든다. 물의 이러한 성질은 지구의 변화에 매우 큰 영향을 미쳤으며, 지구에 생명체가 탄생해서 진화하는데에도 또한 많은 영향을 미쳤다.

물의 상이 액체에서 고체로 변화하면서 나타나는 가장 첫 번째 현상은 표면에서부터 언다는 것이다. ‘그것이 뭐 어쨌다는 이야기인가?’라고 생각하는 사람들이 분명히 몇 명 정도는 존재할 것 같아서 부연설명을 해보자.

우선 물은 온도가 감소함에 따라서 부피가 감소한다. 부피가 감소한다는 것은 밀도가 높아지면서 찬 물은 밑으로 가라앉고, 뜨거운 물은 위로 올라간다는 것을 뜻한다. 그래서 보통 물은 가열하거나 냉각시킬 때 전체가 비슷한 온도를 유지한다. 그러다가 약 3.4℃를 깃점으로 (이 때의 밀도가 1g/㎤이다.) 온도가 떨어질수록 물의 부피가 팽창한다. 밀도가 작아진 물은 가라앉기를 멈추고 표면으로 모인다. 따라서 기온이 떨어져 물이 얼게 되면 3.4℃를 깃점으로 대류가 일어나지 않고, 표면부터 물이 얼게 되는 것이다. 얼음은 전기와 열의 부도체이므로 얼음은 깊은 곳의 물이 어는 것을 막아준다. 만약 이러한 물의 성질이 없었다면 어떻게 됐을까??

물의 특성이 일반적인 물질과 같아서 온도가 내려가면 계속 부피가 수축해 밀도가 높아지다가 고체인 얼음으로 바뀌면서 부피가 확 줄어든다고 생각해 보자.

일단 온도가 떨어지면 계속해서 차가워진 물은 심해로 내려가고, 따뜻한 물이 위로 올라올 것이다. 그러다가 온도가 너무 떨어져서 얼음이 되는 순간 이 얼음은 심해로 가라앉을 것이다. 바닷속에서는 열을 공급받을 가능성이 (일반적으로) 없으므로 이 얼음은 절대 녹지 않고 그 상태를 유지할 것이다. 언제까지고……
이렇게 얼음은 계속해서 많건 적건 바다속에 차곡차곡 쌓여가게 될 것이고, 결국 지구의 모든 바다의 밑바닥은 얼음으로 뒤덥히게 될 것이다. 결국 현재 바다가 갖고 있는 열 저장 기능은 사라지고, 더운 한 여름에나 표면이 살짝 녹았다가 다시 꽁꽁 얼어버리는 차가운 지구로 되었을 것이다.

차가운 지구…. 이 조건에서 생명체가 생길 수 있었을까?
결국 지구에 생명체가 가득 살아갈 수 있었던 것은 물의 이러한 특징들을 밑바탕에 두고 있다고 할 수 있다.

얼음의 부피팽창의 생활에의 영향
얼음의 부피팽창은 위에서 이야기했듯이 인간이 생겨나는데 원인이었는데, 생활에서의 문제점도 유발한다. 냉장고에 얼음을 얼릴 때 그릇을 선택하기가 쉽지 않다. 한번 더 살펴보자.
항아리의 모양을 생각하면서 살펴보자!

오웃.... 항아리 디자인이 너무 이쁘게 됐다. ㅎㅎ

항아리 속의 물의 부피변화는 과장되게 그려진 것임을 양해해 주기 바란다. 실제 변화량은 크지 않겠지만 아주 작은 양의 부피 팽창이 그릇의 파손으로 이어지게 한다. 얼음이 팽창하는 힘은 매우 강해서 강철그릇도 얼음에 의해서 깨진다. 더군다나 강철은 온도가 낮아지면 연성과 전성이 줄어들고 취성이 커진다.
결국 겨울철에 항아리를 보호하기 위해서는 결론적으로 물의 양을 절반 이하로 유지시켜야 한다.
만약 일반 음료수병인 PET병에 물을 넣어서 얼린다면 조심해야 한다는 것을 알게 될 것이다. (다행히도 PET병은 얼음의 팽창을 견딜만큼 늘어날 수 있지만, 경우에 따라서 깨질수도 있다.) 얼음의 팽창을 견딜 수 있는 그릇에물을 얼리면 얼음의 중간이 솟아오를 수도 있다.

이렇게 물이 얼 때 부피가 팽창하는 현상은 건물의 안전도에도 영향을 미친다.
건물에 가는 틈이 있다고 생각해 보자. 여름~가을에 물이 스며들거나 겨울에 눈이 녹은 물이 스며들었다가 얼면 틈을 벌리는 효과를 가져온다. 하지만 얼음 자체도 주변의 구조물을 잡고 있는 응집력이 강하므로 당장 문제가 되지 않는다. 그러다가 봄에 해동될 때 얼음이 녹아 응집력이 사라지게 되고, 결국 건축물이 봄에 붕괴되는 원인이 된다. (날이 풀릴 때는 항상 주의해야 한다.) 만약 겨울에 건축한다면 완전히 마르지 않은 구조물의 안에 있던 수분이 마르지 않고 언 상태로 있을 수 있어 구조강도가 낮아질 수 있기 때문에 매우 조심해야 한다. 그래서 건축법에서는 겨울에는 건축을 제한하고 있다.

뿐만아니라 축대의 붕괴, 봄철 도로가 낭떠러지의 낙석이 늘어나는 이유도 얼음의 팽창과 관련된다.

얼음의 무서운 비명소리
겨울철에 호수가 언 빙판으로 들어가면 얼음에서 ‘깡깡’소리가 들리는 것을 들을 수 있을 것이다. 얼음을 짖쪄본 경험을 해보지 못한 사람들은 이 소리를 무서워한다. 도대체 이 소리는 무엇인가??

이 소리는 얼음이 얼면서 하부의 얼음과 상부의 얼음 사이에 부피 차이로 인한 분자구조 불일치 때문에 일어난다. 그래서 이런 소리가 들리는 얼음판은 안전하다. 얼음판이 사방의 땅을 강한 힘으로 밀고 있다는 증거이기 때문이다. 반면 봄이 되면서 얼음이 녹기 시작하면 조직이 푸석해지고, 사방으로 밀어내려는 힘이 약해지므로 소리가 나지 않는다. 소리가 나지 않으면 쉽게 얼음이 깨질 수 있으므로 들어가지 않는 것이 최선의 방법이다. 이럴 때 물에 빠지면 구조하러 들어가지도 못한다.
알면서도 봄에 얼음판에 들어가는 사람은 미친 사람이나 다름없다. -_-

댐의 붕괴
위에서 얼음에서 ‘깡깡’소리가 나면 얼음이 사방의 땅을 밀고 있게 되고, 안전하다는 이야기를 했다. 하지만 이 힘이 건축물에 작용한다면 어떻게 될까??
다리(橋梁)의 다리(橋脚)는 사방에서 같은 힘이 작용하므로 큰 문제는 없다. 하지만 한 쪽에서만 힘을 받게 되는 댐의 경우는 매우 위험해진다. 얼음에 의해서 붕괴될 수 있는 것이다. 그래서 댐이 얼음에 밀리지 않도록 계속해서 얼음을 제거해 줘야 한다. 얼음의 제거는 봄이 되어 해동될때까지 계속되어야 한다. 댐에 근무하는 사람들에게 겨울은 정말 싫은 계절이 아닐까? ^^;

냉각수의 동결
기계를 관리할 때도 주의를 요한다.
기계의 내연기관에는 냉각수를 많이 사용한다. 자동차와 같은 경우에는 냉각수에 얼지 않게 하는 성분이 포함되어 있어서 우리나라의 경우는 -20℃ 정도까지는 얼지 않게 만든다.[footnote]냉각수는 부동액과 물의 비율에 따라서 냉각되는 온도가 다르게 된다. 냉각수와 부동액을 1:1로 섞어서 -37℃, 3:7로 섞어서 -64℃까지 낮아진다. 반면 -20℃ 이하로는 거의 안 내려가는 우리나라에서 냉각수는 7:3 또는 6:4 정도로만 섞어도 충분하다.[/footnote] 그래서 냉각수에 크게 신경쓰지 않는 편이다. 하지만 시골에서 사용하는 경운기 같은 기계의 경우에는 냉각수를 따로 쓰지 않는다. 따라서 아무 물이나 사용하는 편인데, 물은 0℃에서 언다. 물이 얼면서 팽창하면 기계의 생김새와 똑같은 모양으로 얼게 되므로, 팽창하는 압력은 기계의 윗쪽이 아닌 옆과 밑으로 작용하게 된다. 결국 경운기의 경우 압력에 가장 약한 하단부의 배수구가 파손되기 쉽다.
결국 나중에 살펴보면 냉각수가 있어야 할 곳은 텅 비어있게 된다.

히틀러가 2차 세계대전 중에 러시아를 침공하지만, 자동차와 탱크 등의 기기가 혹한에 의해 파손되면서 전쟁에 지게 됐다는 이야기를 들었본 사람이 있을 것이다. 하여튼…. 겨울은 여러 가지로 신경쓸 것이 많은 계절이다. ^^;

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