안녕하세요. 송종민 과학전문가입니다.
날씨가 추워지면 당연하듯 호수나 강, 산간지방의 계곡 등에서 물이 얼게 됩니다.
물은 영하에서 언다는 사실을 모르는 사람은 없지요. 0℃ 이하가 되면 물이 얼음으로 변한다는 것은 당연한 일입니다.
그런데 0℃보다 낮은 온도에서도 얼지 않는 물이 있답니다. 바로 소금기가 포함되어 있는 물, 바닷물이랍니다. 물에 소금기가 포함되면 순수한 물의 상태보다 어는점이 내려가 빙점 강하 현상이 일어납니다.
그래서 바닷물은 영하의 날씨에도 얼지 않지요. 그런데 순수한 물인데도 영하 40℃의 추위에도 얼지 않는 물도 있답니다. 액체가 어는 점 이하에서도 원래의 모습을 유지하는 현상을 과냉각이라고 하는데요. 물 분자들 사이에서 수소 결합이 일어나는 경우 이 상태가 유지됩니다. 일상생활에서는 쉽게 접할 수 없으며 실험에 의해서나 인위적 으로만 가능하답니다.
표면 위에 얼음이 어는 이유.
그런데 얼음은 왜 위부터 얼까요? 그냥 밑에서부터 얼면 위험할 일도 없을 텐데 말입니다. 그것은 바로 밀도와의 상관관계 때문입니다.
겨울, 호수나 강에 물이 얼거나 냉장고에 물을 넣어 얼음을 얼리거나 하면 물의 위쪽이 표면부터 얼기 시작합니다. 차가운 공기와 더 빨리 닿기 때문에 물이 빨리 어는 것 같아 보이지요. 여기에는 과학적인 이유가 존재하고 있었답니다.
일반적으로 대부분의 물질은 온도가 낮아지면 부피가 줄어들게 됩니다. 그리고 밀도는 질량/부피이기 때문에 온도가 낮아질수록 밀도는 커지지요. 그러나 물은 온도가 4℃가 될 때까지는 온도가 낮아지면 부피가 작아져서 밀도가 커지는데, 온도가 4℃ 보다 낮아지면 오히려 부피가 증가하여 밀도가 작아지게 됩니다. 결국 얼어 있는 물은 그냥 물의 온도인 4℃보다 낮기 때문에 밀도가 작아져 물 위로 뜨게 되는 것이지요. 밀도가 높은 물은 무겁기 때문에 아래로 내려가고 얼음은 가벼워져서 위로 올라갑니다.
