물의 특성

물의 특성

 

안녕하세요 오늘은 물의 특성에 대해서 알아보겠습니다.

 

물의 열 특성

물은 지상에서 고체, 액체, 기체로 있으면서 엄청난 양의 에너지를 담아두거나 내놓는다. 

물의 열 특성은 지구의 열 수지에 영향을 주어 열대 저기압의 생성, 지구 규모의 바람과 표층해류가 만들어지는 데 얼마간 기여한다.
주변의 물체는 대개 고체, 액체, 기체 가운데 하나이다.

 

물질의 열, 온도, 상의 변화
물질의 상이 바뀌려면 무슨 일이 일어나야 하는가? 고체가 액체로 또는 액체가 기체로 바뀌려면 분자나 이온 사이에 끄는 힘을 

떨쳐내야 한다. 

인력 가운데 수소결합이나 반데르발스 힘(van der Waals force)은 상대적으로 약한 힘이어서 기체가 아니라 고체나 액체처럼 

분자끼리 근접했을 경우에만 중요하다. 

 

분자나 이온이 인력을 극복할 정도로 빠르게 움직이게 하려면 에너지를 더해 주어야 한다.

 

어떤 형태의 에너지가 물체의 상을 바꾸어 놓을까? 

 

아주 간단하게 열을 더하거나 빼주면 된다. 

얼음 조각에 열을 가해 주면 녹고 물에서 열을 빼앗으면 언다.

여기서 먼저 열과 온도의 차이에 대해 짚고 넘어가자.

열(heat)은 물체 사이의 온도 차이로 인해 일어나는 에너지 전달이다. 
열은 움직이는 물체의 에너지 수준에 비례하며 운동 에너지(kinetic energy; kinetos3D moving)
위치 에너지(potential energy; potentia= power)로 이루어지는데, 이들 모두 전달이 가능하다. 

 

예컨대 물은 열이 어느 정도 주어졌는지에 따라 고체, 액체,기체로 존재한다. 

열은 연소(태우기), 화학반응, 마찰, 방사능에 의해 나올 수 있다. 
그리고 전도, 대류, 또는 복사를 통해 전달될 수 있다. 

칼로리(calorie; calor-heat)는 물 1g을 1℃ 올리는 데 드는 열의 양이다. 

식품의 에너지 함량을 말하는 칼로리는 실제로는 킬로칼로리로 1,000배 큰 단위이다. 
미터법에 따른 열의 단위는 줄foule)이지만 물의 경우에는 칼로리를 쓰는 것이 쓸모가 많다.
온도(temperature)는 물체를 이루는 분자의 운동 에너지를 직접 측정한 것이다. 

온도가 높을수록 물체의 운동 에너지가 크다. 온도는 물체에 열이 더해지거나 빼주면 바뀐다. 단위는 섭씨(C) 또는 화씨(F)가 쓰인다.
고체 상태(얼음)에서 물은 견고하며 단시간 규모에서는 흐르지 않는다. 분자 간 결합은 끊임없이 결합과 해체를 거듭하지만 분자는 제자리에 꼼짝하지 않고 머문다.

 

다시 말해 에너지 때문에 떨기는 하지만 자리는 바꾸지 않는다는 말이다. 결과적으로 얼음은 용기에 따라 모습이 바뀌지 않는다.
액체 상태(물)에서 물은 분자끼리 여전히 상호작용을 하지만 흘러서 비껴갈 만큼 충분한 운동 에너지를 가지고 있으며 용기에 따라 모습도 바뀐다.

기체 상태(수증기)에서는 물분자는 서로 무작위로 충돌하는 것 말고는 상호작용을 하지 않는다. 

수증기는 자유롭게 돌아다니면서 어떤 형태의 공간이든 채워 놓는다.

물체가 녹기 시작하는 온도를 녹는 온도(melting point)라 한다. 

만약 액체에서 에너지를 충분히 빼앗으면 물체는 고체로 얼게 된다. 물체가 얼기 시작하는 온도를 어는 온도(freezing point)라 한다. 

순수한 물의 녹는 온도와 어는 온도는0℃이다.

액체에 에너지를 충분히 더해 주면 기체가 된다. 물체가 끓기 시작하는 온도를 그 물체의 끓는 온도(boiling point)라 한다. 

기체에서 열을 빼앗으면 한데 뭉쳐져서 액체로 된다. 물체의 응축이 일어나는 가장 높은 온도를 응축 온도(condensation point)
라 하는데, 끓는 온도와 같다.

 

순수한 물의 끓는 온도와 응축 온도는 100℃이다.
물의 어는 온도와 끓는 온도는 유사한 물질에 비해 놀라울 정도로 높다. 만약 물이 분자량이 비슷한 화합물의 경향을 따랐더라면 -90℃에서 녹고 -68℃에서 끓게 되었을 것이다. 그랬더라면 지상의 물은 모두 수증기 상태에 있었을 것이다.

하지만 물은 수소결합과 반데르발스 힘을 이겨내기 위해 에너지가 더 투입되어야 하기 때문에 그보다 높은 0℃와 100℃에서 얼고 끓는다.

그러니까 물이 특이하게 생겨서 그 결과로 극성을 가지지 않았더라면 지상의 물은 모두 끓어서 우리가 아는 생물이 존재하지 못했을 것이다. 

 

 

물의 열용량과 비열 열용량(heat capacity)은 물체의 온도를 1℃ 올리는 데 필요한 열의 양이다. 

 

열용량이 큰 물질은 온도가 조금 변하면서도 열을 많이 흡수(또는 방출)한다. 

반대로 금속처럼 열을 주면 온도가 빠르게 변하는 물질은 열용량이 낮다.
단위 질량의 열용량을 비열용량(specitic heat capacity)이라 하는데 줄여서 비열(specific heat)이라 하며 물질 사이의 열용량을 비교하는 데 쓰인다.

 

예를 들면 물은 비열이 매우 높아서 1g에 1칼로리로 주변에 흔히 접하는 물질의 비열은 이보다 훨씬 낮다.

 

열을 가하면 금세 뜨거워지는 철이나 구리의 열용량은 물의 1/10 수준이다.
물의 열용량은 왜 클까? 원인은 다른 물질에서 분자들 사이에 작용하는 가장 커다란 힘인 반데르발스 힘보다 수소결합된
물분자의 운동 에너지를 올리는 데 에너지가 훨씬 많이 필요하기 때문이다. 

 

결과적으로 온도가 같은 만큼 바뀌더라도 물 은주 위의 물체보다 훨씬 열을 많이 얻거나 잃게 된다.

큰 냄비에 물을 넣고 끓여 본 경험이 있다면 물의 온도가 쉽사리 오드지 않는다는 것을 알고 있을 것이다.

열용량이 작은 금속제 냄비는 가열하면 온도가 금세 올라간다.

하지만 냄비 안의 물의 온도는 느리게 올라간다.

물을 끓이려면 수소결합을 모두 흉어 내야 하므로 열이 더 필요하다.

열을 많이 흡수할 수 있는 물의 탁월한 열용량은 난방, 산업용이나 차량 냉각, 요리에 사용할 수 있다.