물에관한상식을
열역학으로다시들여다보다
물은정말100℃에서끓고,0℃에서얼까?우리는물질에고체·액체·기체라는세가지상태가있다고배운다.물은0℃에서얼어얼음이되고,100℃에서끓어수증기가되는것도익숙한사실이다.하지만이처럼깔끔한설명만으로는물질의세계를온전히이해하기어렵다.
『끓지않는물,얼지않는물』은우리에게가장익숙한물을출발점으로삼아그동안당연하게여겼던‘물질의상태’라는개념을다시살펴본다.그여정을이끄는핵심은물리학의중요한분야인열역학이다.
물을깊이살펴보면,물질은고체·액체·기체라는세가지범주를넘어다양하고흥미로운모습을가지고있다는사실을알게된다.물은100℃가되었다고반드시끓지않으며,0℃아래로내려갔다고꼭얼어붙는것도아니다.압력과온도에따라액체와기체가사라지는순간초임계유체가나타나고,어는점아래에서도얼지않고존재하는과냉각수도있다.
‘온도가낮을때와높을때물질의상태가달라지는이유는무엇일까?’‘액체가끓는다는것은정확히어떤현상일까?’‘액체와기체를구분하는경계는어디에서사라질까?’‘임계점너머에서는어떤일이일어날까?’
이런질문을따라가다보면물질의상태는단순히온도에따라결정되는것이아니라,에너지와엔트로피,온도와압력의상호작용속에서결정되는것임을알게된다.고체·액체·기체라는익숙한분류역시복잡한물질세계를이해하기위한하나의모델일뿐이라는점도깨닫는다.
끓지않는물에서얼지않는물까지,
과학자들의논쟁을따라가다
새로운현상을발견하는것만큼중요한것은그현상을설명할이론과방법을만들어내는일이다.『끓지않는물,얼지않는물』은초임계유체와과냉각수를둘러싼과학자들의연구와논쟁을따라가며과학이실제로어떻게발전하는지를알려준다.
초임계유체를둘러싼연구에서시작된‘끓음’에대한탐구가극저온의과냉각수와물의이상한성질을이해하는데까지이어졌는데,이후과냉각수의성질을설명하면서과학자들사이에치열한논쟁이벌어졌다.과학자들은시뮬레이션과실험방법을발전시키며보이지않는영역까지다가갔다.과냉각수를컴퓨터시뮬레이션한두과학자가10년에걸쳐서로다른결과를놓고논쟁하다가,각자사용한프로그램을서로교환해직접검증하기에이른이야기는과학연구의치열함을생생하게보여준다.
과학이란기존의설명으로이해되지않는현상을발견하고새로운질문을만들며,가설과이론과실험을끊임없이검증하는과정이다.『끓지않는물,얼지않는물』은바로그과정을‘물’과‘열’에관해공부하며배워간다.
세상을더자세히보는것,
그리고무엇에초점을맞출지아는것
이책에서물질의상태를이해하는일은곧세상을바라보는방식에대한이야기로확장된다.처음에는고체·액체·기체세가지상태로만보이던물질이,초임계상태와다양한얼음,과냉각수와액체의상분리가능성까지품고있다는사실을알아간다.과학공부란이처럼이전에는하나로뭉뚱그려보던것을더세밀하게구별하고,기존의범주만으로설명할수없던현상에새로운개념과이름을부여하는과정이다.
하지만과학자가언제나가장높은해상도로세상을바라보는것은아니다.냄비의물을끓일때초임계유체를생각할필요는없다.과학적사고란모든것을자세히보는능력이아니라무엇을구별하고,무엇을단순화하며,언제초점을옮겨야하는지를판단하는능력이기도하다.
『끓지않는물,얼지않는물』은물의‘끓음’과‘얼음’을이해하는데에서시작해열역학과물질의상태,과학적모델과논쟁의세계로이끈다.그리고익숙한현상을한단계더깊이들여다보는순간,당연한상식이라고생각했던세계가얼마나다양하고복잡한지를깨닫게만든다.
책속으로
물질의상태는환경에따라바뀌고,원래상태로돌릴수도있다.물에열을가해끓이면수증기가되어날아가지만,수증기는차가운것을만나면다시응결하여물이된다.물을냉동고에넣으면머지않아얼음으로변하지만,얼음을따뜻한방에꺼내두면다시녹아물로되돌아간다.하나의물질이왜여러가지상태로존재하는걸까?온도를높이거나낮추면왜상태가변하는걸까?이런질문에대답하기위해서는물리학의하위분과인열역학을공부해야한다.
---p.16
일과아주밀접하게연관된개념이에너지이다.물체의운동을다루는역학에서는일을할수있는잠재력을에너지energy라고부른다.움직이는물체가갖고있는운동에너지kineticenergy와멈춰있는물체에잠재되어있는위치에너지potentialenergy가있다.이두에너지의합이역학적에너지mechanicalenergy이다.높은곳에고여있는물은낮은곳으로떨어지며물레방아를돌릴수있다.강물의위치에너지가물레방아의회전운동에너지로바뀌며곡식을빻는일을한다.활시위를힘껏잡아당겼다가잡고있던손가락을놓으면화살이날아간다.당겨진활시위의탄성위치에너지가화살의운동에너지로바뀐것이다.
---p.27
엔트로피는에너지가쓸모없는정도를나타내는수치이다.같은양의에너지라도엔트로피가크면쓸모없는에너지고,엔트로피가낮으면쓸모있는에너지다.엔트로피의크기는두가지원칙에따라정해진다.첫째,역학적에너지의엔트로피는0이다.위치에너지나운동에너지같은역학적에너지는인간에게쓸모있는형태이기때문이다.1L의물이10m높이에있든,10L의물이1m높이에있든두물의에너지는크기도같고엔트로피도0이다.위치에너지가운동에너지로바뀌어일을하는동안에도엔트로피는계속0이다.하지만열에너지의엔트로피는0이될수없으므로운동과정에서역학적에너지의일부가마찰열로빠져나간다면엔트로피가증가하는셈이다.
---pp.41~42
볼츠만이후의열역학은통계역학이라는분과로발전한다.카르노가정초한열역학은엔진의온도와압력,엔진이만들어내는힘이나일처럼원자보다훨씬큰단위에서의현상을기술하는학문이다.반면볼츠만이연통계역학은수많은원자와분자의아주작은움직임으로부터큰규모의현상을해석하는학문이다.현대열역학의이론적토대를통계역학이받치고있다고도볼수있다.그래서오늘날과학에서‘열역학적’이란수식어는수많은분자의움직임이합쳐져서일어나는통계적현상이라는의미를담기도한다.
---p.62
현대물리학에서는물질의특성이나물리법칙이크게바뀌는지점을임계점이라고한다.액체와기체가끓음이라는현상으로구분된다는물리법칙은물의경우374℃에서사라진다.제4의상태,끓지않는물은임계점을넘어선유체라는뜻에서초임계유체supercriticalfluid라고한다.임계현상과초임계유체는드라투르남작의생전에는별다른주목을받지못했다.19세기사람들은임계현상이액체의보편적인성질이라고생각하지않았다.드라투르남작이실험한몇가지물질에서만특수하게나타나는,그다지중요하지않은현상이라고여겼다.
---p.82
그런데물은374℃이상의온도에서압력을높이거나낮춰도끓음이나응결같은급격한밀도변화를일으킬수없다.또한218기압이상의압력에서는온도를높이거나낮추어끓음과응결을일으킬수없다.액체와기체는서로변할수있을때만구별되는상태이며,그경계가사라지면둘을따로정의할수없다.따라서374℃이상의온도에서기체와액체는존재하
지않는다.이처럼물리현상자체가갑자기바뀌는지점을물리학에서는임계점criticalpoint이라고부른다.이때의온도와압력은임계온도,임계압력이라고부른다.물의임계온도는374℃이고,임계압력은218기압이다.
---p.108
액체와달리초임계유체는끓어오르지않는다.임계점을넘으면유체를아무리가열해도보글보글거품을내며밀도가갑자기낮아지는현상은나타나지않는다.끓지않기때문에초임계유체의반응성은어떤지점에서도무한하지않다.하지만초임계유체의반응성도온도가올라감에따라점차커지다가어떤지점을지나면다시작아진다.액체를가열하면반응성이점점커지다가끓는순간반응성이무한대가되고,수증기를더가열하면반응성이줄어드는것과비슷하다.반응성이최대가되었다가다시줄어드는이현상이마치끓음과비슷하다고하여유사끓음이라고한다.액체이론연구에많은공헌을한과학자벤저민위덤BenjaminWidom의이름을따위덤선Widomline이라고부르기도한다.
---p.143
슬러시소주라는술이있다.일반소주와재료가다른건아니다.냉동고성능이나소주의정확한도수에따라결과가크게달라지기는하지만,병소주를사서영하18℃의냉동고에두시간30분동안보관하는것이일반적인레시피이다.두시간30분이지난다음꺼내도소주는얼지않은것처럼보인다.병도투명하고,살짝흔들면찰랑찰랑흔들리기도한다.그런데병의아랫부분을손바닥으로탕치면순식간에얼어붙으며슬러시처럼변한다.즉소주는영하18℃에서도두시간이상얼지않다가충격을가하는순간얼어붙는것이다.이처럼액체의온도가어는점보다낮아졌음에도고체로변하지않는현상을과냉각이라고한다.과냉각된물,즉0℃이하의온도에서얼어붙지않고액체상태를유지하는물은특별히과냉각수라고한다.
---p.169
두학파는각자상대방이자신과다른결론을내린이유를짐작하는바가있었다.느린빙결학파에서실무를수행한데이비드리머박사는제2임계점학파의시뮬레이션이충분히길지않아서라고생각했다.영하50℃의과냉각수라하더라도얼어붙는데는상당히긴시뮬레이션이필요하다.리머박사는제2임계점학파의시뮬레이션이빙결이진행되기에는너무짧다고주장했다.임계핵크기의얼음씨앗이생겨날때까지기다리면고밀도물과저밀도물은결국얼음이될것이고,두종류의물은분리된상태가아니라핵이생겨나고얼어붙는과정의앞과뒤에붙은이름일뿐이라는논지였다.
---p.215
2017년겨울스톡홀름대학교의연구진은두돌파구를조합하여,실험으로진공에떠있는과냉각수물방울을관찰하고위덤선을기록하는데성공한다.그리고2020년에는높은압력이가해질때고밀도물이저밀도물을거쳐얼음으로얼어붙는과정마저실험적으로관찰했다.위덤선과상분리모두실험적으로관찰되었으니과냉각수는두개의상태를가지며,제2임계점보다온도가높고압력이낮다면하나의액체상태로변한다고합의할수있다.30년전유진스탠리가제안한이론을드디어실험이따라잡아명확한그림을그려낸것이다.
---p.226
