안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
얼음과 소금을 3대 1의 비율로 섞었을 때 온도가 영하 20도 가까이 급격히 떨어지는 현상은 두 물질이 만나면서 일어나는 물리적 상태 변화와 화학적 용해 반응이 주변의 열을 강렬하게 흡수하기 때문입니다.
첫 번째 원인은 얼음이 녹으면서 발생하는 융해열 흡수입니다. 실온에 둔 얼음 표면이 미세하게 녹아 물이 되면, 그 물에 주변의 소금이 달라붙어 녹기 시작합니다. 이때 고체 상태의 소금이 물에 녹으면서 주변의 열을 한 번 더 흡수하는 용해열 반응이 일어납니다. 얼음이 물로 변하는 과정과 소금이 물에 녹는 과정 모두 주변의 에너지를 빼앗아 가는 흡열 반응이므로 혼합물의 온도가 1차적으로 강하하게 됩니다.
두 번째이자 가장 결정적인 원인은 소금물에 의한 어는점 내림 효과와 강제 융해 현상입니다. 순수한 물은 0도에서 얼지만, 소금이 녹아 이온 상태로 분리되면 물 분자가 얼음 결정으로 결합하는 것을 방해하여 어는점이 영하 21도 부근까지 낮아집니다. 어는점이 영하로 뚝 떨어진 상태가 되면 주변 온도가 0도 이하임에도 불구하고 얼음은 영하 21도에 도달할 때까지 멈추지 않고 계속해서 녹게 됩니다.
결과적으로 낮아진 어는점 때문에 얼음이 억지로 녹으면서 주변의 열을 폭발적으로 빼앗아 가고, 소금 역시 끊임없이 녹으며 열을 흡수하는 연쇄 반응이 일어납니다. 이 두 가지 흡열 작용이 소금물이 얼 수 있는 한계 온도인 영하 20도 근처에 이를 때까지 지속되면서 온도가 극도로 낮아집니다.