우리 주변에서 물이 얼거나 끓는 현상이 빈번히 일어나고 있고, 또 학교에서 배우는 과학에도 분명 물의 상변화에 대해서 나오고 있어 초등학교와 중학교 과학 교과서에 일반론이 나오고 있다. 하지만 정확한 어는점과 끓는점에 대해서 배우기는 힘든 것 같다. 그저 아이들이 시험문제 풀이에 필요한 만큼만 가르쳐 주는 것으로 보인다. 이 글에서는 좀 더 살짝 깊이 있는 부분에 대해서 이야기하고자 한다. 수학적 내용들은 생략하고, 또한 물이란 한 물질에 국한되지 않고 일반론으로 설명하고자 한다.
상이라 하면 우리 주변의 물질들의 형태를 말한다. 주로 고체, 액체, 기체를 말하는데, 물질에 따라서 더 자세한 상으로 나눌 수 있다. 그리고 온도가 아주 높이 올라가서 원자핵과 전자들이 전자기적인 인력으로 서로 붙잡지 못하고 자유롭게(?) 섞여있는 형태의 상도 존재한다. 이를 우리는 플라즈마(Plasma)라고 한다.
상은 에너지(energy)와 엔트로피(entropy)라는 두 물리적 요소의 균형으로 결정된다.[footnote]이 설명은 사실상 중학교 저학년에게는 설명이 좀 무리이다.[/footnote] 온도가 높아져서 물질 내부에 에너지가 많아지면 엔트로피가 증가해 에너지를 줄이는 방향으로 반응이 진행되고, 온도가 낮아져서 물질 내부에 에너지가 적어지면 엔트로피가 감소해 에너지를 늘리는방향으로 반응이 진행된다. 상 변화가 없는 온도변화에도 약간씩의 에너지와 엔트로피 변화가 존재하는데, 상변화에 따른 것과 비교하면 아주 작다.
0℃의 물이 같은 온도의 얼음으로 변할 때를 잠깐 살펴보면 물이 얼음으로 변화하게 되면 액화열에 해당하는 80cal/g에 해당하는 만큼의 에너지가 외부로 방출되게 된다. 이만큼 방출된 에너지는 주변 온도를 올리게 되고, 더 이상 주변의 물이 얼음으로 변환되는 것을 막게 된다. 물론 에너지가 주변으로 계속 빠져나가게 되면 주변의 물이 계속해서 얼음으로 변화하게 되면서 그 과정을 계속 반복한다.
잘 알려져 있다시피 물과 얼음의 차이점은 그 내부에 있는 분자들이 자유롭게 움직일 수 있느냐 아니면 고정된 자리에 머물러 있느냐의 차이이다. 이는 일반적으로 고체와 액체의 차이와 동일하다. 자유롭게 움직일 수 있는 물은 내부의 원자(분자)들이 띌 수 있는 형태가 다양해서 에너지 상태는 높고, 그 분자들의 상태가 다양하게 분포할 수 있어서 우리가 관측할 수 있는 상태수도 높아져 엔트로피는 그만큼 낮아지게 된다. (엔트로피는 그 물질의 형태가 단순화 될수록 높아지게 된다.) 변화할 가능성이 커지기 위해서는 그만큼 많은 양의 에너지를 필요로 한다. 이는 우리 인간들 사이에 존재하는 자유를 누리기 위해 많은 에너지를 필요로 하는 것과 비슷해 보인다.
하지만 물의 어는점이 정확히 0℃일까??? 그것은 정확치 않다.
1기압 0℃에서는 분명히 물과 얼음이 공존할 수 있다. 하지만 꼭 0℃가 아니더라도 물과 얼음은 공존할 수 있다.
아주 순수한 증류수를 충격이 없는 상태에서 아주 서서히 온도를 낮추면 이 증류수 안에는 얼음의 씨앗(얼음이 얼기 시작하는 점)이 존재하지 않기 때문에 얼음으로 변화하지 않고, 낮은 온도 상태에서도 물 상태로 남아있게 된다(이를 우리는 과냉각이라고 한다.). 그러다가 어느 순간이 되면서 물이 얼음으로 변화한 뒤에도 엔트로피가 동일해지는 순간이 되고, 순식간에 얼음이 되어버린다. 일반적으로 얼음이 어는 것은 눈에 보이지 않지만, 과냉각된 물이 얼음으로 변화하는 것은 눈으로도 확연히 보일 정도이다. 물론 이 과냉각된 물이 얼음으로 변화하다가 변화가 정지하는 그 온도는 0℃이다. (물이 전부 얼음으로 변화하기 전에 0℃가 된다면… 이런 일은 일어나지 않는다.)
반대로 얼음의 온도가 올라갈 때에도 비슷한 현상이 나타나게 된다.
또 다른 경우로써….
얼음이 물로 상당히 빠른 속도로 녹을 경우, 또는 반대로 상당히 빠른 속도로 얼 경우에도 이런 비슷한 현상이 나타나게 된다.
녹아가는 과정에서 얼음의 온도는 계속 올라가고, 0도를 지나서 영상의 온도가 되어도 얼음은 물이 되지 못한다. 그러다가 갑자기 얼음이 물로 변하는데, 이때 갑자기 물과 얼음의 온도가 영하까지 내려간다. 그 후 갑자기 온도가 내려갔기 때문에 녹는 현상은 잠시 사라지고, 주변에서 열을 흡수해서 다시 온도가 올라간다. 이러한 현상을 계속 반복해서 얼음이 녹는다. 모든 상변환은 이러한 현상의 반복으로 진행된다는 것이다.
이 현상은 중학교 과학실험시간에 발견한 현상이다. 여러분들도 온도계만 갖고 있다면 가스렌지에 물을 올려놓고 끓이면서 간단하게 실험해볼 수 있다.[footnote]중학생 자녀를 둔 부모라면 꼭 한 번쯤 실험해보길 바란다.[/footnote]
이러한 경향은 물리학에서의 감쇄진동과도 닮아보인다. (물론 상변화와 감쇄진동은 거의 무관한 현상이다.) 감쇄진동은 시간에 대한 변위의 삼각함수와 지수함수의 곱 형태로 나타난다. 이러한 감쇄진동은 그 변화의 속도가 매우 느릴 때 삼각함수가 사라지면서 지수함수처럼 변화한다. 상변화도 온도의 변화속도가 어떠냐에 따라서 진동패턴을 보이냐 수렴하는 형태를 보이냐가 결정된다.
결국 우리가 생각하는 상변화는 인간의 단편 지식의 편견일 뿐이라는 것이다. 이러한 현상은 관성으로도 생각할 수 있다. ^^;
