얼음은 왜 수면부터 어는 걸까요?

Question

호수나 강에 얼음이 어는 경우 항상 바닥이 아닌 수면부터 얼음이 얼게 됩니다. 물의 온도는 수면이나 바닥이나 비슷할 것 같은데 얼음은 왜 수면부터 어는 걸까요?

Answer 1

안녕하세요. 류경범 과학전문가입니다.

일반적은 물질은 온도가 낮아질 수록 밀도가 커지게 되어 같은 부피의 무게가 증가 하게 됩니다. 그러나 물은 온도가 낮아지면 4도까지는 부피가 줄어들어 밀도가 커집니다. 하지만, 4도 보다 더 온도가 낮아지면 물의 부피는 다시 증가 하게 됩니다. 다시 말하면 4도에서 가장 부피가 작아지고 따라서 밀도가 가장 큽니다.

물이 위에서 부터 얼음으로 변하는 이유도 이 밀도와 관련이 있습니다. 겨울이 되어 기온이 낮아져서 호수위의 공기가 차가워지면 수면에 있는 물의 온도가 낮아집니다. 물의 온도가 낮아지게 되면 밀도가 커지므로 무거워진 물은 호수 아래로 가라 앉고 호수 아래에 있는 따뜻한 (수면의 온도와 상대 값) 물은 가벼워 수면으로 올라 오게 됩니다.

수면으로 올라온 물은 다시 수면위의 차가운 공기에 의에 온도가 낮아져 아래로 내려가게 되고 호수의 물은 4도 가 될 때 계속해서 반복하여 순환하게 되고 호수의 물은 4도가 됩니다. 4도된 호수의 물은 더 이상 순환을 하지 않게 되며 수면의 수온이 4도 이하가 되면 밀도가 작아지므로 수면에 그대로 남아 가장먼서 0도에 도달 하여 얼음이 됩니다.

Answer 2

안녕하세요. 김형준 과학전문가입니다.

얼음은 물보다 가볍습니다.

왜 그러하냐면 물은 액체일때는 서로 분자가 오히려 더 가깝게 있는데 얼음이 되면서 독특한 구조를 이루게 되면서 서로 멀어지기 때문입니다.

얼음은 각 물 분자마다 네 개의 팔을 뻗어서 물 분자당 평균 2개의 팔을 뻗은 효과로 서로 물 분자들끼리 잡아서 빈 공간이 많이 생기게 되어 밀도가 측면에서는물보다 낮아집니다.

따라서 물 속에서는 얼음이 얼 경우 가벼운 얼음이 물 위로 뜨게 됩니다.

Answer 3

안녕하세요. 김지호 과학전문가입니다.

물이 표면부터 어는 이유는 밀도와 관련이 있습니다. 물은 독특하게 4도에서 가장 밀도가 높은데, 즉 0도인 물이나 얼음의 밀도가 4도인 물의 밀도보다 작습니다. 따라서 이러한 성질 때문에 밀도가 큰 4도의 물이 아래로 내려가게 되며, 호수나 강물이 얼 때 표면부터 얼게 되는 것입니다.