사회자 우담 : 안녕하세요, 선생님. 무려 30년간 냉장고가 없어도 음료수를 시원하게 얼려 드셨다고 하는데 어떻게 그렇게 하실 수 있으셨나요?
냉동 양과장 : 아~ 별거 아닙니다. 이렇게 얼음조각 위에다 소금만 샥샥 뿌린 뒤 음료수를 폭 집어넣으면 금방 차가워집니다.
사회 우담 : 아니 정말 그렇게만 하면 차가워지는 것이 가능할까요?
냉동 양과장 : 얼음에다 소금 뿌리고 음료수 넣어 봤어요? 넣어보지 않았으면 그런 말을 하지 마세요.
사회 우담 : 그럼 어서 빨리 한번 해 보시죠!
달인 양과장은 얼음이 가득 담긴 그릇에 소금을 뿌리더니 그 속에 요구르트나 음료수 병을 쑥쑥 넣기 시작했다. 그렇게 10여 분이 지나자 정말 요구르트는 샤베트처럼 얼려 있고 음료수는 아주 차가워졌다. 마술사도 아닌 우리의 달인 양과장은 어떻게 이렇게 할 수 있었을까?
신기해 보이는 이 현상은 아주 간단한 과학적 원리를 기반으로 하고 있다. 물은 보통 0℃에서 얼기 시작해 얼음 상태가 되면 최대 -5℃까지 온도가 내려가게 되며 특별한 이유가 없는 한 이 상태를 유지하게 된다. 하지만 이런 상태의 얼음에 소금을 뿌리게 되면 얼음은 바로 녹기 시작하는데 이는 주변 온도가 올라가서 녹는 것이 아니라 온도가 점점 떨어짐에도 불구하고 물로 변하게 된다. 이는 물 분자들이 서로 강력한 끌어당김(인력) 상태로 안정화되어 있는 구조, 즉 얼음 상태의 구조에 소금분자들이 물 분자 사이로 끼어들어 가면서 안정화된 물 분자 구조를 무너뜨려 다시 물 상태로 변하게 하기 때문이다.
얼음이 물로 녹는 것처럼 고체가 액체 상태로 변하는 현상을 융해현상이라고 하며 고체가 융해될 때에는 주변의 열을 흡수하게 되는데 이 열을 융해열이라고 한다. 얼음에 소금을 뿌리게 되면 얼음은 융해현상을 일으키며 주변의 열을 흡수하게 된다. 물이 순수한 얼음 상태의 최저 온도는 -5℃이지만 소금을 뿌린 얼음의 최저 온도는 무려 -24℃에 달한다. 즉 소금이 뿌려진 얼음물이 다시 얼기 위해서는 -24℃까지 온도가 낮아져야 함을 의미하는 것이다. 이것이 어는점 내림 현상이다.
이 때문에 요구르트나 음료수를 짧은 시간 동안 빨리 시원하게 하기 위해서는 단지 얼음물 속에 담가 놓은 것보다 얼음에 소금을 3:1의 비율로 뿌려 놓는 것이 좋다. 이런 원리는 음료수나 얼음과자를 얼리거나 차갑게 하는 데 이용되기도 하지만 눈이 많이 내리는 날에 도로의 눈을 제설하는 데도 응용된다.
눈이 많이 내리는 날, TV를 보면 눈 덮인 도로 위에 하얀 염화칼슘을 뿌리는 장면을 자주 볼 수 있는데 이는 눈에 물의 어는점을 강제적으로 낮춰 눈이 녹아내리도록 하기 위함이다. 염화 칼슘의 경우 최대 -55℃까지 온도를 낮출 수 있으므로 내린 눈이 빙판이 되기 위해서는 최대 -55℃ 이하 온도가 되어야 함을 의미한다. 실제로 이러한 혼합비는 매우 이상적인 혼합비율 상태에서 나오는 온도이기는 하지만 단지 눈 위에 뿌리기만 함을 통해서 -10℃ 이하의 어는점을 얻을 수 있다.
[실험방법] 준비물 : 비커, 얼음, 굵은 소금, 온도계, 요구르트, 작은 음료수 등
[실험순서] 1. 작은 얼음들을 비커에 적당히 넣는다. 이때 얼음의 크기들이 너무 작게 만들지 않는다. 2. 이 상태에서 온도를 측정해 기록해 놓는다. 3. 얼음 위에 3:1의 비율이 되도록 소금을 뿌린다. 4. 5분 정도 시간이 지난 뒤 소금을 뿌린 얼음의 온도를 측정해 2번 상태와 비교해 본다. 5. 소금을 뿌린 얼음 속에 요구르트나 음료수를 넣어 차갑게 얼려 본다.
[실험 Tip] - 집에서 실험할 경우 소금을 뿌리지 않은 얼음과 소금을 뿌린 얼음을 준비하여 동시에 요구르트나 음료수를 넣은 뒤 나중에 어느 것이 더 차가운지 비교하는 실험을 해도 좋다.
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