물은 정말 100°C에서 끓고 0°C에서 얼까? 우리에게 익숙한 ‘고체·액체·기체라는 물질의 세 가지 상태’는 세상을 이해하기 위한 훌륭한 출발점이지만, 물질의 세계를 모두 설명해주지는 않는다. 온도와 압력 조건을 세밀하게 들여다보면 물은 100℃에서 끓지 않을 수 있고, 0℃에서 얼지 않을 수 있다. 

《끓지 않는 물, 얼지 않는 물》은 우리에게 가장 익숙한 물을 출발점으로 삼아, 당연하게 여겼던 물질의 상태를 다시 바라보도록 돕는다. 그 여정을 이끄는 핵심은 물리학의 중요한 분야인 열역학이다. 열과 일, 온도와 압력, 에너지와 엔트로피가 서로 어떻게 작용하는지를 살펴보면서 물질의 상태가 무엇으로 결정되는지 풀어간다. 물은 어떤 온도와 압력을 넘기면 끓지 않고 액체와 기체의 경계가 사라진 초임계유체가 된다. 또 어는점보다 훨씬 낮은 온도인데도 얼지 않는 과냉각수가 된다. 심지어 얼음도 물 분자의 모양과 배열에 따라 서로 다른, 21가지나 발견되었다.

왜 어떤 조건에서는 물이 끓지 않는 걸까? 왜 0°C 이하인데 물이 얼지 않는 걸까? 임계점에 가까워지면 물의 상태는 어떻게 달라질까? 《끓지 않는 물, 얼지 않는 물》을 읽다 보면 자연스레 떠오르는 질문이다. 이 질문에 답을 찾아가다 보면 열역학의 기본 원리를 자연스럽게 이해할 수 있다. 물 한 방울에서 출발해 끓음과 얼음, 임계점과 초임계 상태까지 탐험하는 과정에서, 알고 있다고 생각했던 물질의 세계가 전혀 다르게 보이기 시작할 것이다.

이 책이 보여주는 것은 물과 물질의 신기한 성질만이 아니다. 과학자들이 기존 개념으로 설명되지 않는 현상을 마주했고, 이 개념을 설명하기 위해 새로운 질문을 던지고, 가설을 세우고, 실험과 시뮬레이션을 통해 서로 논쟁하며 지식을 만들어가는 과정도 함께 보여준다. 

과학 공부란 익숙한 세계에서 미처 보지 못했던 차이를 발견하고, 더 정교한 언어로 설명해가는 과정이다. 물을 깊이 들여다보는 이 여정을 따라가며 물질에 대한 지식뿐 아니라, 세상을 바라보고 이해하는 시야까지 넓힐 수 있다.

들어가며 삶의 해상도를 높이기 위한 과학 공부 

1장 물질의 상태, 분자의 성질

1 열을 일하게 하다, 증기기관 

2 열과 일은 하나다, 에너지 

3 열과 일은 다르다, 엔트로피 

4 열의 정체, 엔트로피의 정체 

5 물질의 상태: 에너지는 낮게, 엔트로피는 높게

2장 끓지 않는 물

1 제4의 상태 

2 물은 정말 100°C에서 끓을까 

3 끓음은 급격하다 

4 수면에서의 대화 

5 임계점을 향하여 

6 가스와 증기 

7 자석, 물, 기름과 보편성 

8 기포 없이 물 끓이기 

9 임계점의 느낌

3장 얼지 않는 물

1 가장 이상한 물질, 물 

2 질서가 지배하는 상태, 고체 

3 물은 정말 0°C에서 얼까 

4 순수한 물은 얼지 않는다

5 18번째 얼음, 19번째 얼음 

6 무거운 물, 가벼운 물 

7 더 차갑게, 더 빽빽하게 

8 시뮬레이션 전쟁 

9 무인지대를 뚫고 나아가다

나가며 초점 옮기기 

참고문헌 

물질의 상태는 환경에 따라 바뀌고, 원래 상태로 돌릴 수도 있다. 물에 열을 가해 끓이면 수증기가 되어 날아가지만, 수증기는 차가운 것을 만나면 다시 응결하여 물이 된다. 물을 냉동고에 넣으면 머지않아 얼음으로 변하지만, 얼음을 따뜻한 방에 꺼내두면 다시 녹아 물로 되돌아간다. 하나의 물질이 왜 여러 가지 상태로 존재하는 걸까? 온도를 높이거나 낮추면 왜 상태가 변하는 걸까? 이런 질문에 대답하기 위해서는 물리학의 하위 분과인 열역학을 공부해야 한다. -16쪽

일과 아주 밀접하게 연관된 개념이 에너지이다. 물체의 운동을 다루는 역학에서는 일을 할 수 있는 잠재력을 에너지energy라고 부른다. 움직이는 물체가 갖고 있는 운동에너지kinetic energy와 멈춰 있는 물체에 잠재되어 있는 위치에너지potential energy가 있다. 이 두 에너지의 합이 역학적에너지mechanical energy이다. 높은 곳에 고여 있는 물은 낮은 곳으로 떨어지며 물레방아를 돌릴 수 있다. 강물의 위치에너지가 물레방아의 회전 운동에너지로 바뀌며 곡식을 빻는 일을 한다. 활시위를 힘껏 잡아당겼다가 잡고 있던 손가락을 놓으면 화살이 날아간다. 당겨진 활시위의 탄성 위치에너지가 화살의 운동에너지로 바뀐 것이다. -27쪽

엔트로피는 에너지가 쓸모없는 정도를 나타내는 수치이다. 같은 양의 에너지라도 엔트로피가 크면 쓸모없는 에너지고, 엔트로피가 낮으면 쓸모 있는 에너지다. 엔트로피의 크기는 두 가지 원칙에 따라 정해진다. 첫째, 역학적에너지의 엔트로피는 0이다. 위치에너지나 운동에너지 같은 역학적에너지는 인간에게 쓸모 있는 형태이기 때문이다. 1L의 물이 10m 높이에 있든, 10L의 물이 1m 높이에 있든 두 물의 에너지는 크기도 같고 엔트로피도 0이다. 위치에너지가 운동에너지로 바뀌어 일을 하는 동안에도 엔트로피는 계속 0이다. 하지만 열에너지의 엔트로피는 0이 될 수 없으므로 운동 과정에서 역학적에너지의 일부가 마찰열로 빠져나간다면 엔트로피가 증가하는 셈이다. -41~42쪽

볼츠만 이후의 열역학은 통계역학이라는 분과로 발전한다. 카르노가 정초한 열역학은 엔진의 온도와 압력, 엔진이 만들어내는 힘이나 일처럼 원자보다 훨씬 큰 단위에서의 현상을 기술하는 학문이다. 반면 볼츠만이 연 통계역학은 수많은 원자와 분자의 아주 작은 움직임으로부터 큰 규모의 현상을 해석하는 학문이다. 현대 열역학의 이론적 토대를 통계역학이 받치고 있다고도 볼 수 있다. 그래서 오늘날 과학에서 ‘열역학적’이란 수식어는 수많은 분자의 움직임이 합쳐져서 일어나는 통계적 현상이라는 의미를 담기도 한다. -62쪽

현대 물리학에서는 물질의 특성이나 물리법칙이 크게 바뀌는 지점을 임계점이라고 한다. 액체와 기체가 끓음이라는 현상으로 구분된다는 물리법칙은 물의 경우 374℃에서 사라진다. 제4의 상태, 끓지 않는 물은 임계점을 넘어선 유체라는 뜻에서 초임계유체supercritical fluid라고 한다. 임계현상과 초임계유체는 드라투르 남작의 생전에는 별다른 주목을 받지 못했다. 19세기 사람들은 임계현상이 액체의 보편적인 성질이라고 생각하지 않았다. 드라투르 남작이 실험한 몇 가지 물질에서만 특수하게 나타나는, 그다지 중요하지 않은 현상이라고 여겼다. -82쪽

그런데 물은 374℃ 이상의 온도에서 압력을 높이거나 낮춰도 끓음이나 응결 같은 급격한 밀도 변화를 일으킬 수 없다. 또한 218기압 이상의 압력에서는 온도를 높이거나 낮추어 끓음과 응결을 일으킬 수 없다. 액체와 기체는 서로 변할 수 있을 때만 구별되는 상태이며, 그 경계가 사라지면 둘을 따로 정의할 수 없다. 따라서 374℃ 이상의 온도에서 기체와 액체는 존재하

지 않는다. 이처럼 물리 현상 자체가 갑자기 바뀌는 지점을 물리학에서는 임계점critical point이라고 부른다. 이때의 온도와 압력은 임계온도, 임계압력이라고 부른다. 물의 임계온도는 374℃이고, 임계압력은 218기압이다. -108쪽

액체와 달리 초임계유체는 끓어오르지 않는다. 임계점을 넘으면 유체를 아무리 가열해도 보글보글 거품을 내며 밀도가 갑자기 낮아지는 현상은 나타나지 않는다. 끓지 않기 때문에 초임계유체의 반응성은 어떤 지점에서도 무한하지 않다. 하지만 초임계유체의 반응성도 온도가 올라감에 따라 점차 커지다가 어떤 지점을 지나면 다시 작아진다. 액체를 가열하면 반응성이 점점 커지다가 끓는 순간 반응성이 무한대가 되고, 수증기를 더 가열하면 반응성이 줄어드는 것과비슷하다. 반응성이 최대가 되었다가 다시 줄어드는 이 현상이 마치 끓음과 비슷하다고 하여 유사끓음이라고 한다. 액체 이론 연구에 많은 공헌을 한 과학자 벤저민 위덤Benjamin Widom의 이름을 따 위덤선Widom line이라고 부르기도 한다. -143쪽

슬러시 소주라는 술이 있다. 일반 소주와 재료가 다른 건 아니다. 냉동고 성능이나 소주의 정확한 도수에 따라 결과가 크게 달라지기는 하지만, 병 소주를 사서 영하 18℃의 냉동고에 두 시간 30분 동안 보관하는 것이 일반적인 레시피이다. 두 시간 30분이 지난 다음 꺼내도 소주는 얼지 않은 것처럼 보인다. 병도 투명하고, 살짝 흔들면 찰랑찰랑 흔들리기도 한다. 그런데 병의 아랫부분을 손바닥으로 탕 치면 순식간에 얼어붙으며 슬러시처럼 변한다. 즉 소주는 영하 18℃에서도 두 시간 이상 얼지 않다가 충격을 가하는 순간 얼어붙는 것이다. 이처럼 액체의 온도가 어는점보다 낮아졌음에도 고체로 변하지 않는 현상을 과냉각이라고 한다. 과냉각된 물, 즉 0℃ 이하의 온도에서 얼어붙지 않고 액체 상태를 유지하는 물은 특별히 과냉각수라고 한다. -169쪽

두 학파는 각자 상대방이 자신과 다른 결론을 내린 이유를 짐작하는 바가 있었다. 느린 빙결 학파에서 실무를 수행한 데이비드 리머 박사는 제2임계점 학파의 시뮬레이션이 충분히 길지 않아서라고 생각했다. 영하 50℃의 과냉각수라 하더라도 얼어붙는 데는 상당히 긴 시뮬레이션이 필요하다. 리머 박사는 제2임계점 학파의 시뮬레이션이 빙결이 진행되기에는 너무 짧다고 주장했다. 임계핵 크기의 얼음 씨앗이 생겨날 때까지 기다리면 고밀도 물과 저밀도 물은 결국얼음이 될 것이고, 두 종류의 물은 분리된 상태가 아니라 핵이 생겨나고 얼어붙는 과정의 앞과 뒤에 붙은 이름일 뿐이라는 논지였다. -215쪽

2017년 겨울 스톡홀름대학교의 연구진은 두 돌파구를 조합하여, 실험으로 진공에 떠 있는 과냉각수 물방울을 관찰하고 위덤 선을 기록하는 데 성공한다. 그리고 2020년에는 높은 압력이 가해질 때 고밀도 물이 저밀도 물을 거쳐 얼음으로 얼어붙는 과정마저 실험적으로 관찰했다. 위덤 선과 상분리 모두 실험적으로 관찰되었으니 과냉각수는 두 개의 상태를 가지며, 제2임계점보다 온도가 높고 압력이 낮다면 하나의 액체 상태로 변한다고 합의할 수 있다. 30년 전 유진 스탠리가 제안한 이론을 드디어 실험이 따라잡아 명확한 그림을 그려낸 것이다. -226쪽

물에 관한 상식을 

열역학으로 다시 들여다보다 

물은 정말 100℃에서 끓고, 0℃에서 얼까? 우리는 물질에 고체·액체·기체라는 세 가지 상태가 있다고 배운다. 물은 0℃에서 얼어 얼음이 되고, 100℃에서 끓어 수증기가 되는 것도 익숙한 사실이다. 하지만 이처럼 깔끔한 설명만으로는 물질의 세계를 온전히 이해하기 어렵다.

《끓지 않는 물, 얼지 않는 물》은 우리에게 가장 익숙한 물을 출발점으로 삼아 그동안 당연하게 여겼던 ‘물질의 상태’라는 개념을 다시 살펴본다. 그 여정을 이끄는 핵심은 물리학의 중요한 분야인 열역학이다. 

물을 깊이 살펴보면, 물질은 고체·액체·기체라는 세 가지 범주를 넘어 다양하고 흥미로운 모습을 가지고 있다는 사실을 알게 된다. 물은 100℃가 되었다고 반드시 끓지 않으며, 0℃ 아래로 내려갔다고 꼭 얼어붙는 것도 아니다. 압력과 온도에 따라 액체와 기체가 사라지는 순간 초임계유체가 나타나고, 어는점 아래에서도 얼지 않고 존재하는 과냉각수도 있다. 

‘온도가 낮을 때와 높을 때 물질의 상태가 달라지는 이유는 무엇일까?’ ‘액체가 끓는다는 것은 정확히 어떤 현상일까?’ ‘액체와 기체를 구분하는 경계는 어디에서 사라질까?’ ‘임계점 너머에서는 어떤 일이 일어날까?’ 

이런 질문을 따라가다 보면 물질의 상태는 단순히 온도에 따라 결정되는 것이 아니라, 에너지와 엔트로피, 온도와 압력의 상호작용 속에서 결정되는 것​임을 알게 된다. 고체·액체·기체라는 익숙한 분류 역시 복잡한 물질세계를 이해하기 위한 하나의 모델일 뿐이라는 점도 깨닫는다. 

끓지 않는 물에서 얼지 않는 물까지, 

과학자들의 논쟁을 따라가다

새로운 현상을 발견하는 것만큼 중요한 것은 그 현상을 설명할 이론과 방법을 만들어내는 일이다. 《끓지 않는 물, 얼지 않는 물》은 초임계유체와 과냉각수를 둘러싼 과학자들의 연구와 논쟁을 따라가며 과학이 실제로 어떻게 발전하는지를 알려준다.

초임계유체를 둘러싼 연구에서 시작된 ‘끓음’에 대한 탐구가 극저온의 과냉각수와 물의 이상한 성질을 이해하는 데까지 이어졌는데, 이후 과냉각수의 성질을 설명하면서 과학자들 사이에 치열한 논쟁이 벌어졌다. 과학자들은 시뮬레이션과 실험 방법을 발전시키며 보이지 않는 영역까지 다가갔다. 과냉각수를 컴퓨터 시뮬레이션한 두 과학자가 10년에 걸쳐 서로 다른 결과를 놓고 논쟁하다가, 각자 사용한 프로그램을 서로 교환해 직접 검증하기에 이른 이야기는 과학 연구의 치열함을 생생하게 보여준다.

과학이란 기존의 설명으로 이해되지 않는 현상을 발견하고 새로운 질문을 만들며, 가설과 이론과 실험을 끊임없이 검증하는 과정이다. 《끓지 않는 물, 얼지 않는 물》은 바로 그 과정을 ‘물’과 ‘열’에 관해 공부하며 배워간다.

세상을 더 자세히 보는 것, 

그리고 무엇에 초점을 맞출지 아는 것

이 책에서 물질의 상태를 이해하는 일은 곧 세상을 바라보는 방식에 대한 이야기로 확장된다. 처음에는 고체·액체·기체 세 가지 상태로만 보이던 물질이, 초임계 상태와 다양한 얼음, 과냉각수와 액체의 상분리 가능성까지 품고 있다는 사실을 알아간다. 과학 공부란 이처럼 이전에는 하나로 뭉뚱그려 보던 것을 더 세밀하게 구별하고, 기존의 범주만으로 설명할 수 없던 현상에 새로운 개념과 이름을 부여하는 과정이다. 

하지만 과학자가 언제나 가장 높은 해상도로 세상을 바라보는 것은 아니다. 냄비의 물을 끓일 때 초임계유체를 생각할 필요는 없다. 과학적 사고란 모든 것을 자세히 보는 능력이 아니라 무엇을 구별하고, 무엇을 단순화하며, 언제 초점을 옮겨야 하는지를 판단하는 능력​이기도 하다.

《끓지 않는 물, 얼지 않는 물》은 물의 ‘끓음’과 ‘얼음’을 이해하는 데에서 시작해 열역학과 물질의 상태, 과학적 모델과 논쟁의 세계로 이끈다. 그리고 익숙한 현상을 한 단계 더 깊이 들여다보는 순간, 당연한 상식이라고 생각했던 세계가 얼마나 다양하고 복잡한지를 깨닫게 만든다.