이 실험 소개
물은 고체인 얼음, 액체인 물, 그리고 수증기라고 불리는 기체까지 세 가지 상태를 모두 관찰하기 가장 쉬운 물질입니다. -20 °C의 얼음이 든 플라스크를 가열판 위에 놓고 가열해 보세요. 온도계, 얼음 조각, 기포, 그리고 수증기를 모으는 풍선을 관찰하고, 확대해서 입자들이 어떻게 움직이는지 살펴보세요. 가열 곡선은 놀라운 사실을 보여 줍니다. 얼음이 녹는 동안에도 물이 끓는 동안에도 온도는 전혀 변하지 않습니다.
학습 목표
- 물질의 세 가지 상태를 말하고 각각의 예를 들어 보세요
- 고체, 액체, 기체에서 입자들이 어떻게 배열되고 움직이는지 설명해 보세요
- 녹기, 얼기, 끓기, 증발, 응축이라는 용어를 올바르게 사용해 보세요
- 순수한 물은 보통의 대기압에서 0 °C에 녹고 100 °C에 끓는다는 것을 기억하세요
- 상태가 변하는 동안에는 온도가 그대로 유지된다는 점을 설명하세요.
사용 방법
- 1‘가열 시작’을 누르세요. 온도계가 0 °C에 도달할 때까지 올라가는 모습을 관찰하세요. 얼음과 입자에는 어떤 변화가 일어나나요?
- 2얼음이 녹는 동안 계속 가열하세요. 온도를 살펴보세요. 플라스크에 얼음이 남아 있는 동안 온도가 올라가나요?
- 3물을 100 °C까지 가열하세요. 거품의 모습을 설명하세요. 거품 안에는 무엇이 들어 있나요?
- 4물이 끓는 동안 풍선을 관찰하세요. 플라스크에 아무것도 넣지 않았는데 풍선이 왜 부풀어 오르나요?
- 5핫플레이트를 ‘냉각’으로 전환하세요. 영상을 거꾸로 재생해 보세요. 수증기는 어디로 가고, 얼음은 언제 다시 나타나나요?
- 6가열 곡선을 살펴보세요. 얼음을 녹일 때와 물을 끓여 증발시킬 때 중 어느 쪽에 더 많은 열이 필요할까요?
모델
가정
- 플라스크는 풍선으로 닫혀 있으므로 물이 빠져나가지 않고, 수증기는 일반적인 대기압을 유지합니다.
- 핫플레이트에서 나온 열은 모두 물로 전달됩니다. 실제 실험실에서는 열의 일부가 공기와 유리로 빠져나갑니다.
- 사용한 값: 얼음의 비열은 2.1 J/(g·°C), 물은 4.18, 수증기는 2.0입니다. 얼음을 녹이는 데는 334 J/g, 물을 끓이는 데는 2257 J/g이 필요합니다.
- 입자 그림에서는 각 입자를 작은 공으로 나타냅니다. 이것은 모형입니다. 실제 물 분자는 너무 작아 볼 수 없고, 그 수도 훨씬 더 많습니다.
수업에서 해 보기
- Q1아이스크림은 손에서는 녹지만 냉동실에서는 녹지 않습니다. 무엇이 다를까요?
- Q2물웅덩이는 100 °C에 도달하지 않고도 맑은 날에 사라집니다. 물은 어디로 갔을까요?
- Q3차가운 주스가 든 유리잔 바깥쪽에 물방울이 생기는 이유는 무엇일까요?
- Q4주전자 위에서 보이는 흰 구름이 수증기일까요? 그 구름의 정체가 무엇인지 설명해 보세요.
- Q5냄비의 물을 끓이는 것보다 물이 완전히 증발할 때까지 끓이는 데 훨씬 더 오래 걸리는 이유는 무엇일까요?
자주 묻는 질문
얼음이 녹는 동안 온도가 더 이상 올라가지 않는 이유는 무엇일까요?
얼음 속에서는 입자들이 일정한 배열로 서로 붙어 있습니다. 녹는다는 것은 그 배열이 깨지는 것을 뜻합니다. 뜨거운 열판에서 전달되는 열은 입자들을 더 빠르게 움직이게 하는 대신 그 배열을 깨는 데 모두 쓰입니다. 얼음이 전부 녹고 나서야 온도가 다시 올라가기 시작합니다.
끓는 것과 증발하는 것은 어떻게 다른가요?
둘 다 액체 상태의 물을 기체로 바꿉니다. 증발은 어떤 온도에서든 표면에서 천천히 일어납니다. 끓음은 액체 전체에서 100 °C일 때 일어나므로 바닥에서 수증기 방울이 생깁니다.
수증기는 눈에 보이나요?
아니요. 기체 상태의 물인 진짜 수증기는 눈에 보이지 않습니다. 주전자 위에 보이는 흰 구름은 수증기가 공기 중에서 식으면서 생긴 아주 작은 액체 물방울입니다.
물은 항상 100 °C에서 끓나요?
해수면의 일반적인 기압에서만 그렇습니다. 높은 산에서는 기압이 낮아 물이 더 낮은 온도에서 끓습니다. 에베레스트산 정상에서는 약 70 °C입니다.