[과학] 물의 세가지 상태, 증발과 끓음의 차이 구별

1. 물의 세 가지 상태

물은 일상에서 고체, 액체, 기체 상태를 모두 접할 수 있는 물질로 각각의 상태를 얼음, 물, 수증기라고 한다.

물질의 상태변화

1) 얼음(고체)

물을 냉각하면 고체 상태의 얼음으로 변한다. 1기압, 0도에서 물이 얼면 물 분자가 육방 정계 구조로 결합하면서 얼음이 만들어지는데, 이러한 결정 구조로 빈 공간이 생겨서 액체일 때보다 부피가 늘어난다. 눈 결정에서 다양한 육각형 구조를 관찰할 수 있는 것도 이러한 결정 구조 때문이다.

2) 물(액체)

1기압 상태에서 물은 0도에서 얼고, 100도에서 끓는다. 물은 자연 상태에서도 증발과 응결이 활발히 일어나므로 물질과 에너지를 지구의 여러 곳에 순환시키는 중요한 역할을 한다.

3) 수증기(기체) 

수증기는 물의 기체 상태로, 눈에 보이지는 않지만 공기 중에 존재한다. 공기 중에 있는 수증기의 양을 습도라고 하는데, 습도가 낮을수록 증발이 잘 일어나고, 습도가 높을수록 응결이 잘 일어난다.

2. 물질의 상태 변화

물질은 온도와 압력에 따라 고체, 액체, 기체 상태로 변할 수 있다. 압력이 일정한 조건에서 물질에 열이 가해지면 고체에서 액체로, 액체에서 기체로 변하며, 반대로 열을 빼앗기면 기체에서 액체로, 액체에서 고체로 변한다. 물질의 상태 가 변해도 물질의 고유한 성질은 바뀌지 않는다.

증발과 끓음의 차이는 무엇일까?

액체에서 기체로 변하는 기화 현상에는 증발과 끓음이 있다. 증발은 물의 표면에서 물이 수증기로 변하는 현상이다. 액체 상태의 물 분자는 운동 에너지를 가지고 있지만 분자들 사이에 잡아당기는 힘(인력)에 의해 결합되어 액체 상태를 벗어나지 못한다. 그런데 표면에 있는 물 분자는 내부의 분자에 비해 이웃한 분자들이 적기 때문에 상대적으로 분자 간의 인력이 약해서 끓는점 이하의 온도에서도 인력을 끊고 떨어져 나가 기체 상태가 된다.

물의 온도가 높아지면 물 분자의 운동 에너지가 증가하므로 온도가 높을수록 그리고 물의 표면적이 넓을수록 물 표면에서의 증발이 활발히 일어난다. 끓음은 물의 표면과 내부에서 물이 기체인 수증기로 변하는 현상이다. 물의 내부에서 물이 수증기로 변하므로 기포를 관찰할 수 있는데, 이 기포 안에는 수증기가 들어 있다. 물은 1기압에서 100도가 되면 끓기 시작하고, 이때의 온도를 끓는점이라고 한다. 

증발과 끓음의 차이

응결이 일어나는 현상

공기가 포함할 수 있는 수증기의 양에는 한계가 있어서 포화 상태의 공기 1 kg에 들어 있는 수증기의 양을 질량(g)으로 나타낸 것을 포화 수증기량이라고 한다. 포화 수증기량은 온도가 낮을수록 줄어들며, 공기가 냉각되면서 공기중의 수증기량이 포화 수증기량과 같아지는 온도를 이슬점이라고 한다. 공기의 온도가 이슬점보다 낮아지면 포화 수증기량 이상의 수증기가 물방울로 변하는데, 이러한 현상을 응결이라고 한다. 따라서 응결은 수증기를 많이 포함한 공기가 큰 온도 차로 냉각될 때 잘 일어난다.

일상생활 응결현상

3. 수증기가 눈에 보이지 않는 까닭

우리가 물체를 볼 수 있는 까닭은 빛의 반사 때문이다. 빛이 물체에 닿으면 일부 혹은 전체가 흡수 또는 반사되며, 그 외의 빛은 투과한다. 이때 물체를 투과하거나 물체 표면에서 반사된 빛이 우리 눈으로 들어오면 물체를 볼 수 있다. 물질의 상태에 따라 눈에 보이지 않는 경우도 있다. 물질은 눈에 보이지 않을 만큼 작은 분자로 이루어져 있는데 고체나 액체 상태에서는 분자가 서로 결합되어 있어 반사되거나 굴절된 가시광선으로 물체를 볼 수 있다.

기체 상태에서는 분자가 가시광선의 파장보다 작기 때문에 가시광선이 반사되거나 굴절되지 못하고 지나치게 되면 눈으로 볼 수 없게 된다. 따라서 액체 상태의 물은 눈으로 볼 수 있지만 기체 상태인 수증기로 변하면 눈에 보이지 않는 것이다.