주사기 하나로 끓는다?! ‘감압 비등’을 직접 체험하는 놀라운 실험 (상태 변화)
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일매일이 실험입니다.
“물이 끓는 건 당연히 100도가 넘어야지!”…… 혹시 이렇게만 알고 계셨나요? 사실 불을 전혀 쓰지 않고도, 살짝 식은 미지근한 물을 순식간에 보글보글 끓게 만드는 마법 같은 방법이 있습니다.
오늘은 주사기(시린지) 하나로 체험할 수 있는 놀라운 감압 비등 실험을 소개해 드립니다. 교과서 속 지식으로만 머물렀던 상태 변화가 눈앞에서 다이내믹하게 모습을 바꾸는 순간을 함께 관찰해 볼까요?
온도를 높이지 않고도 끓게 만드는 신기한 주사기
과학 시간에는 온도가 변함에 따라 물이 얼음이 되거나 수증기가 되는 상태 변화를 배웁니다. 하지만 사실 압력을 변화시키는 것만으로도 물질의 상태를 드라마틱하게 바꿀 수 있습니다. 이 실험은 평소 존경하는 Y 선생님께 배운, 심플하면서도 과학의 본질을 꿰뚫는 멋진 실험입니다.
준비물: 주사기(시린지), 따뜻한 물(70도 정도)
실험 순서:
먼저 정수기나 포트에서 70도 정도의 따뜻한 물을 비커에 준비합니다.
주사기에 물을 아주 소량만 빨아들입니다. 이때 나중에 피스톤을 크게 잡아당길 수 있도록 공간을 넉넉히 비워두는 것이 포인트입니다.
주사기 끝을 엄지손가락으로 꽉 눌러 공기가 들어가지 않도록 밀봉합니다.
그 상태에서 힘껏 피스톤을 당겨 내부 압력을 낮춰 보세요.
자, 어떻게 될까요? 온도를 전혀 높이지 않았는데도 안의 물이 갑자기 보글보글 격렬하게 끓기 시작합니다.
더욱 흥미로운 점은, 당겼던 피스톤을 원래대로 되돌리면 끓음이 뚝 멈춘다는 것입니다. 이를 통해 온도가 아니라 압력의 변화가 끓음의 원인이라는 사실을 확실히 알 수 있습니다.
산 정상에서 밥이 설익는 이유
왜 압력을 낮추면 물이 끓는 걸까요?
물이 액체 상태를 유지할 수 있는 이유는 주변 공기의 무게(대기압)가 튀어나가려는 물 분자를 위에서 꾹 누르고 있기 때문입니다. 보통 1기압 아래에서는 100도가 되어야 물 분자가 공기의 누르는 힘을 이겨낼 수 있지만, 주사기 속을 진공에 가까운 상태(감압)로 만들면 물 분자를 억제하는 힘이 약해집니다. 그 결과, 낮은 온도에서도 물 분자가 활발하게 튀어나갈 수 있게 되어 끓음이 시작되는 것이죠.
인용: 이과연표 「고체, 액체, 기체의 상태를 알려주세요.」 https://official.rikanenpyo.jp/posts/6660
이 원리는 우리 생활과도 밀접한 관련이 있습니다. 예를 들어, 산 정삼처럼 해발 고도가 높은 곳은 기압이 낮기 때문에 물이 80~90도 정도에서 끓어버립니다. 그래서 보통 냄비로 밥을 지으려고 해도 속까지 익지 않고 설익는 일이 벌어지는 것이죠.
높은 곳에 가면 과자 봉지가 빵빵하게 부풀어 오르는 것과 같은 원리랍니다.
우리 주변에서 쉽게 구할 수 있는 주사기 하나로 높은 산 정상과 같은 환경을 만들 수 있다니, 이것이야말로 실험의 묘미 아닐까요? 여러분도 물의 온도를 바꿔가며 과연 몇 도까지 물을 끓일 수 있을지 직접 도전해 보세요!
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