액체 제로! 드라이아이스가 사라지는 3시간의 과학 — 승화·응결·등속직선운동
사이언스 트레이너 구와코 켄입니다. 매일이 실험입니다.
드라이아이스가 연기를 내뿜듯 하면서 조용히 사라지는 모습을 본 적 있나요? 액체로 변하지 않고 바로 기체가 된다니, 마치 마법 같죠. 사실 이 ‘평범하지 않은 변화’ 속에는 물리와 화학의 흥미로운 법칙들이 가득 숨어 있습니다. 이번에는 방사선 안개상자 실험에서 남은 드라이아이스를 활용해 여러 가지 실험을 즐겨봤습니다.
타임랩스로 보는 ‘승화’의 기록
먼저 드라이아이스가 승화하는 모습을 타임랩스로 촬영해 기록했습니다. 1kg의 드라이아이스로 3시간 동안 촬영했는데, 놀랍게도 끝까지 완전히 사라지지 않았습니다. 그 3시간을 1분 30초로 압축한 영상을 확인해 보세요.
영상 속을 보면 드라이아이스 주변에서하얀 연기 같은 것이 나오는 걸 볼 수 있습니다. 하지만 이것은 드라이아이스 자체가 기체(이산화탄소)가 된 것이 아니라, 공기 중의 수증기가 차가워지면서 물이나 얼음 입자로 변한 것입니다. 겨울 아침에 입김이 하얗게 보이는 것과 같은 원리입니다. 비교를 위해 일반 얼음도 함께 놓아 보았습니다.
처음 상태
시간이 지나면서 서서히 녹지만, 드라이아이스는 이름 그대로 ‘드라이’합니다. 액체가 나오지 않습니다.
일반 얼음은고체 → 액체(물) → 기체(수증기)로 변하지만, 드라이아이스는고체 → 기체(이산화탄소)로, 액체 단계를 건너뛰어 한 번에 변합니다. 이런 변화를‘승화’라고 합니다. 드라이아이스가 ‘건조한 얼음(Dry Ice)’이라 불리는 이유를 잘 알 수 있죠.
책상 위를 스르륵—이산화탄소의 에어 쿠션
다음은 드라이아이스를 책상 위에 올려 미끄러지게 하는 실험입니다.
드라이아이스를 책상 위에 놓으면 승화로 인해 아래에서 이산화탄소 가스가 나오면서 덜덜 떨리는 진동이 발생합니다. 그리고 이 가스가 드라이아이스와 책상 사이에 쿠션 역할을 하여 마치 미끄러지듯 부드럽게 움직이기 시작합니다.
이 움직임은 등속 직선 운동을 관찰하는 데에도 활용할 수 있습니다. 마찰이 거의 0에 가까워지기 때문에 힘을 계속 가하지 않아도 일정한 속도로 곧게 나아갑니다. 즉, 뉴턴의 제1법칙(관성의 법칙)이 눈앞에서 그대로 펼쳐지는 것이죠. 이 원리는 공장에서 무거운 물건을 이동시키거나 에어하키 테이블에도 활용됩니다.
가위가 떨린다! 그리고 하얀 구름이 생긴다
드라이아이스 위에 가위를 올려보면 이런 현상이 나타납니다。
가위가 덜덜 떨립니다. 아래에서 분출되는 이산화탄소 가스가 가위를 들어 올렸다가 떨어뜨리는 과정을 반복하기 때문입니다. 드라이아이스 주변에는 하얀 구름이 떠다니는데, 이것은 공기 중의 수증기가 식어 응결된 것으로, 진짜 구름과 같은 원리로 만들어진 것입니다. 특히 아래쪽에 하얀 구름이 많이 보이는 것은 이산화탄소 가스가 강하게 분출되기 때문으로 보입니다.
물속에 넣으면—구름이 대량 발생
이번에는 드라이아이스를 물속에 넣어 보았습니다。
물에 넣으면 승화 속도가 크게 빨라지면서 하얀 구름이 몽글몽글 대량으로 발생합니다. 물이 드라이아이스에 열을 전달하기 때문에 기화가 훨씬 빠르게 진행되기 때문입니다. 콘서트나 영화 세트에서 사용하는 ‘스모크 머신’도 이 원리를 활용하는 경우가 많습니다. 우리 주변의 엔터테인먼트 뒤에도 과학이 숨어 있는 셈이죠。
드라이아이스를 구할 수 있다면 꼭 여러 가지 실험을 해보세요. 승화, 응결, 등속 직선 운동—교과서 속 개념들이 눈앞에서 생생하게 움직이기 시작할 것입니다。
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