[실험] 차가우면 변한다, 카멜레온 컵 만들기

무더운 여름, 밖에서 땀을 뻘뻘 흘리고 집으로 들어오면 시원한 물 한 컵 들이켜고 싶은 생각이 간절해 져요. 급한 마음에 얼음을 잔뜩 넣은 물을 벌컥벌컥 들이켰다가는 차가운 기운에 머릿속이 찌릿찌릿해 지지요. 추운 겨울에는 무심코 입을 갖다 댔다가 혀는 물론 목구멍을 데일 정도로 뜨거워 낭패를 보는 경우도 있죠. 적당한 온도를 알려주는 컵이 있으면 얼마나 편리할까요?

[교과과정]
초 4-1 모습을 바꾸는 물
초 4-2 열전달과 우리생활
중 1 물질의 세 가지 상태

[학습주제]
열의 이동
기온의 변화
상태 변화와 에너지

<실험 방법 및 원리>








*실험 주의사항 : 스티커를 붙일 때는 물을 넣지 않은 상태에서 붙여 주세요. 찬물을 붓고 붙이려면 컵 표면에 성에가 끼어 잘 붙지 않는답니다. 섭씨 10도 이하에서 색이 변하지만 그냥 찬물보다는 얼음물을 넣어야 색깔의 변화를 더 잘 관찰할 수 있어요.

실험에 사용한 시온 스티커는 상온에서는 흰색이었다가 섭씨 10도 이하로 내려가면 파란색으로 변하는 성질을 갖고 있어요. 때문에 시온 스티커를 붙인 머그컵에 얼음물을 부으면 서서히 파란색으로 바뀌는 것을 관찰할 수 있어요. 그 이유는 얼음물의 냉기가 컵을 통해 전도되면서 시온 스티커에 전달됐기 때문이예요. 일반적으로 열이 전달되는 방법은 전도, 대류, 복사가 있어요. 그중 이번 실험은 고체로 된 물질을 통해 열이 전달되는 ‘전도’ 현상 덕분에 카멜레온처럼 변하는 컵을 만들 수 있었어요. 냄비 밑바닥을 데우면 윗부분에 있는 손잡이까지 뜨거워지는 것처럼, 차가운 물의 냉기가 컵의 바깥쪽까지 전달되면서 시온 스티커의 색을 변화시킨 거예요. 시온 스티커가 온도에 따라 카멜레온처럼 색을 바꿀 수 있는 이유는 스티커에 시온 잉크가 묻어있기 때문이예요.

시온 잉크는 온도에 따라 색깔이 변하는 잉크예요. 주로 유기화합물을 사용해 만드는데, 온도에 따라 분자의 구조가 달라지거나 분자들의 배열 방법이 달라지는 성질을 이용한 거지요. 예를 들어 온도가 높아지면 특정한 화학결합이 끊어지고, 온도가 낮아지면 끊어졌던 화학결합이 다시 이어지면서 물질에 따라 다른 색을 띠게 되는 원리지요. 이렇듯 시온잉크에는 온도가 높아지거나 혹은 낮아졌다가 원래의 온도로 돌아가면 본연의 색을 찾는 종류가 있고, 한번 색깔이 변하면 다시 돌아가지 않는 종류도 있어요.

시온 잉크는 우리 주변에서 다양하게 활용되고 있어요. 머그컵이나 온도계, 프라이팬 등 온도 변화를 손쉽게 알려주는 편리한 제품들이 많이 개발돼 있어요. 업체에서도 신선한 제품임을 알리기 위해 많이 활용하지요. 한 맥주회사는 맥주병에 저온용 시온 잉크 마크를 새겨 맥주가 시원한 상태인지 한눈에 알 수 있도록 했고, 한 피자 업체는 배달용 피자 박스에 고온용 시온 잉크로 글자를 새겨 넣어 피자가 식기 전에 배달을 한다고 홍보하기도 했어요.

안전을 위한 목적으로도 유용하게 이용되고 있어요. 온도계를 사용하기 어려울 정도로 복잡한 기계일 경우, 시온 잉크를 사용해 온도를 감지하지요. 대용량 전기 장치에서 전동기나 변압기, 저항, 스위치, 도선의 접속 부위 등이 과열되면 다양한 사고가 발생할 수 있어요. 특정 온도 이상으로 과열되면 시온 잉크의 색이 변해 사고를 예방할 수 있도록 돕는답니다.

그밖에도 온도에 따라 색깔이 변하는 의류, 장미, 책, 카멜레온 매니큐어, 전구커버, 펜던트 같은 장식품 등 다양한 곳에 사용되고 있어요.

실험에 사용된 시온 잉크는 온도에 따라 색이 변하지만, 이 외에도 전기나 기압, 수분의 정도를 다르게 해 색이 변하도록 만든 물질도 있답니다.

글 : 유기현 과학칼럼니스트
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“아휴, 더워!”

여름처럼 더운 일요일 집에 들어온 태연은 냉장고부터 열었다. 바로 눈에 띈 것은 형형색색의 음료수캔. 태연은 지체 없이 캔 뚜껑을 열고 내용물을 들이켰지만 음료는 입술을 간신히 적실 정도만 흘러나왔다.

“비었나?”

분명히 캔은 음료수가 가득 들어있어서 묵직했다.

“뭔가 들어있는데? 얼었나?”

캔을 흔들면 분명 안에서 무언가 출렁거렸다. 태연은 슬슬 짜증이 몰려왔고, 아빠를 불러 답답함을 해결해야겠다고 생각했다.

“아빠. 캔에 음료수가 들어 있는 것 같은데 안 나와요.”

아빠는 기다렸다는 듯 벌떡 일어나 냉장고에서 새 캔을 꺼내 마구 흔들었다. 처음부터 이럴 생각이셨던 것 같다. 태연은 불안했다. 거실을 음료수로 범벅하고 싶지 않았다. 탄산음료를 흔들고 나서 뚜껑을 열면 사방으로 음료수가 튀는 법이다.

“아빠, 그럼 뚜껑 딸 때 넘쳐요.”

“괜찮아. 이 음료는 흔들어야 마실 수 있어.”

아빠가 뚜껑을 열었다. 태연은 흠칫 놀랐지만 아무 일도 일어나지 않았다.

태연이 음료를 한 모금 마시자 부드러운 젤리와 톡 쏘는 탄산이 입안에 맴돌았다. ‘와우!’ 젤리를 무척 좋아하는 태연의 입맛에 안성맞춤이었다. 목을 어느 정도 축이자 호기심이 고개를 들었다. 대체 이 음료의 정체는 뭘까.

“신기하지? 나도 처음에는 사오자마자 미지근할 때 마셨었는데 그때는 탄산도 적고 물 같아서 별로 맛이 없었어. 확실히 온도를 낮춰 시원하게 하니까 젤리도 탱글탱글하고 탄산도 많네.”

“왜 차갑게 만들어야 하는데요?”

“이 음료는 젤리 안에 탄산을 가둬 만든 것인데 온도가 높아지면 그물 형태로 이뤄진 젤리의 분자구조가 느슨해져서 탄산을 제대로 붙잡을 수 없어. 그래서 젤리를 차갑게 만들어야 한단다.”

“제가 처음 냉장고에서 꺼냈던 음료를 마실 수 없었던 이유도 젤리가 단단하게 굳어 밖으로 나오지 않았기 때문이군요.”

“그렇지. 그래서 캔에 친절히 ‘세게 10번 흔든 뒤 마시라’는 안내 문구가 쓰여있잖니.”

“그런데 왜 10번일까요?”

“캔을 흔드는 이유는 반고체 상태인 젤리를 서로 부딪혀 깨뜨리기 위해서야. 하지만 너무 많이 흔들면 젤리가 잘게 부서져 먹을 때 물과 별 차이가 없겠지. 특히 태연이는 젤리의 탱글탱글 씹히는 맛을 좋아할 텐데 말이야.”

“맞아요.”

“젤리를 씹으면 젤리가 깨지면서 갇혀 있던 탄산이 밖으로 빠져나온단다. 탄산엔 과일향을 내는 분자가 들어 있어 음료를 마시기 전 후각을 자극해 입맛을 돋우는 역할도 해. 탄산음료를 마시기 전 톡 쏘는 향을 좋아하는 사람에게는 무척 매력적이겠지.”

“와! 그럼 우리 딸기 맛이 나는 젤리 탄산음료를 만들어 봐요.”

“아빠도 그러고 싶지만 아직 이런 음료를 집에서 만드는 방법은 없어. 과일맛 젤리는 차갑게 식으면 말랑말랑하게 굳는 ‘한천’이나 ‘젤라틴’에 과일주스를 첨가해 만들 수 있겠지. 하지만 과일주스 대신 탄산음료를 사용하면 젤리 속에 들어 있는 탄산음료가 젤리에 구멍을 만들어 버리니 말랑말랑하지 않고 푸석푸석한 젤리가 만들어질 수밖에 없어.”

“조금 푸석거려도 좋아요. 만들자마자 먹으면 되잖아요?”

“젤리탄산음료는 제조사에서 젤리 자체를 그물형 분자구조로 만든단다. 그리고 특수한 고압장치를 이용해 젤리 안에 높은 압력으로 탄산을 가둬 둔 거지. 집에서 한천이나 젤라틴으로 그물형 분자구조의 젤리를 만들 수는 없지 않겠니?”

<젤리탄산음료 ‘환타 쉐이커’의 내용물. 젤리에 탄산이 갇힌 모습과 젤리가 깨져 물처럼 변한
모습이 보인다.>

“그렇구나. 그럼 사다 놓은 음료를 냉장고에서 꺼내 마실 수밖에 없겠네요.”

“그렇단다. 참. 젤리탄산음료는 차갑게 식혀두지 않으면 캔 뚜껑을 열 때 음료가 넘칠 수도 있으니까 주의하렴. 온도가 높아지면 젤리의 분자구조가 느슨해지니까, 이때 음료수에 들어있던 탄산도 전부 빠져나간단다.”

“알았어요. 이번엔 꼭 10번 잘 흔들어서 하나를 더….”

“태연아, 그래도 집에 들어오자마자 탄산음료 2개를 연속으로 마시면 안 돼. 지난번에 아빠랑 약속한 ‘키 크기 프로젝트’ 실천에 방해가 되지 않겠니?”

글 : 전동혁 과학칼럼니스트


ndsl링크 <출처 : 한국과학기술정보연구원 >

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오랜만에 성재네 식구들은 온 가족이 온천여행을 갔다.
그런데 뜨거운 물이 싫다고 목욕탕 밖에서 서성거리기만 하는 성재한테 아빠는 어서 탕에 들어가자고 재촉했다.

“이구구구~~ 시원하다. 아하~~ 온몸이 사르르 녹는구나. 성재야, 너도 어서 들어와라. 물이 정말 좋단다. 하나도 안 뜨거워.”

성재는 마지 못해 살짝 발을 담그는 듯하더니 냉큼 발을 빼고는 투덜거린다.
“아빠는 거짓말쟁이! 이렇게 뜨거운 물이 어떻게 안 뜨겁다는 거예요! 난 탕에 안 들어갈 거예요!”

한번 마음 정하면 웬만하면 지지 않으려고 하는 성재의 고집을 알기에 아빠는 성재가 좋아하는 과학이야기로 성재를 탕 속으로 유인하기로 마음먹었다.

성재야, 그건 네가 살짝 물 표면에만 발을 담가서 그래. 이 탕 속 바닥에 있는 물은 정말 뜨겁지 않아. 눈에는 잘 보이지 않지만 사실 물은 뜨거울수록 가볍고 차가울수록 무겁단다. 왜냐하면 물은 뜨거워지면 팽창하고 차가워지면 수축하기 때문이지.”
“아! 맞다. 저도 책에서 본 적이 있어요. 물뿐만 아니라 공기나 쇠도 온도에 따라서 팽창하고 수축한다는 것을 봤었어요. 그래서 철도레일을 보면 중간 중간 끊어 놓잖아요. 이것은 여름에 온도가 올라가서 기찻길이 팽창했을 때 휘어지지 않게 하려고 끊어 놓은 것이지요?”

“그래. 맞단다. 우리 성재 제법인걸. 만약에 기찻길이 끊어져 있지 않으면 온도가 올라감에 따라 레일은 길이가 늘어나야 하는데 늘어날 공간이 없으니 옆으로 휘어버리게 되지. 그러면, 휘어진 철로를 지나는 기차가 탈선돼서 큰 사고가 날 수 있단다. 철만 온도에 따라 늘어나고 줄어드는 게 아니야. 공기도 온도에 따라서 늘어나고 줄어든단다. 하늘에 떠다니는 열기구 알지? 이 기구를 하늘로 올릴 때는 기구풍선에 뜨거운 공기를 집어넣는단다. 그러면, 풍선 안에 있는 뜨거운 공기는 풍선 밖에 있는 차가운 공기보다 더 가볍기 때문에 위로 올라가게 되지. 목욕탕의 물도 마찬가지야. 뜨거운 물과 찬물이 섞이면 뜨거운 물은 가볍기 때문에 위로 올라가고, 차가운 물은 무거워서 아래로 가라앉는 거야.”

“아~ 그렇구나. 모든 물질이 온도에 따라서 늘어나거나 줄어드네요. 재미있는 이야기 감사합니다. 하지만 저도 이미 알고 있던 이야기예요. 그리고 여전히 뜨거운 물은 싫어요. 저 안 들어갈래요.”
“음… 성재야, 그렇다면 우리 내기할까? 사실 아빠가 한 말 중에 거짓말이 하나 있었어. 그 거짓말이 무엇인지 맞추면 탕에 들어오지 않아도 되지만, 못 맞추면 들어오는 거다. 지금부터 1분 동안에 맞추는 거야. 시작!”
“네?! 거짓말이 있었다고요…. 이상하다… 전부 맞는데… 예전에 과학책에서 봤는데….”

“자! 1분 지났어. 아빠가 한 거짓말은 차가운 물이 뜨거운 물보다 무겁다는 거야.”
“아빠, 무슨 말이에요! 좀 전에는 찬물이 무겁다면서요~ 그리고 책에도 차가운 물이….”
“잠깐잠깐, 아빠 말 좀 들어보렴. 응. 일반적으로 물은 온도가 올라가면 팽창하고 온도가 떨어지면 수축한단다. 그런데 물은 참으로 신기한 성질을 갖고 있어. 온도가 떨어질수록 물은 점점 수축하지만 섭씨 0도일 때까지 계속 수축한 다음에 물이 얼음으로 바뀌는 것이 아니고 섭씨 4도일 때까지는 수축하지만 섭씨 4도보다 차가워지면 다시 부피가 팽창하고 얼음이 된단다. 그러니까, 뜨거운 물이 항상 차가운 물보다 가벼운 것은 아니란다. 예를 들어서, 섭씨 4도의 물이 섭씨 2도의 물보다 더 무거운 것이지.”

“피~ 그게 뭐예요. 그건 아주 특별한 예외잖아요. 일반적으로 물이 차가워질수록 수축해서 차가운 물이 더 무거운 것은 맞잖아요. 엉터리~”
“성재야. 아니란다. 물이 섭씨 4도에서 가장 무거워지고 온도가 더 내려가면 더 팽창한다는 성질은 아주 중요한 성질이고 물이 우리에게 주는 특별한 선물이란다. 성재야~ 김연아 누나 좋아하지? 김연아 누나가 빙판 위에서 멋진 피겨스케이팅을 보여주는 것도 물의 특별한 성질 덕분이란다. 만약에 물이 차가워질수록 무거워지기만 한다면, 겨울일 때 연못에는 점점 차가워지는 물은 아래로 가라앉고 덜 차가운 물이 위로 뜨겠지. 그러면 더욱 추워지면 얼음은 연못 바닥부터 생길 거야. 얼음이 바닥에 있고 그 귀에 물이 있으니 피겨스케이팅은 할 수 없겠지. 그리고 얼음이 물 위에서 얼지 않기 때문에 지난 주말에 아빠랑 같이 했던 얼음을 뚫고 빙어를 잡는 겨울 낚시도 할 수 없단다.”

“아, 그렇구나.”
“지금 우리 인류가 지구 상에 살아 있는 것도 물이 섭씨 4도 이하로 차가워질 때 오히려 더 가벼워져서 물 위로 뜨기 때문이란다. 만약에 섭씨 4도 이하로 차가워질 때 더 무거워져서 물아래로 가라앉는다면, 차가운 바람에 의해서 물 표면의 온도가 떨어지고 차가워진 물은 바닥에 가라앉고 뜨거운 물은 다시 차가운 바람에 의해서 온도가 떨어지는 악순환이 계속 돼서 결국은 연못의 물이 모두 얼어버릴 거야. 겨울철에 얼음이 얼어도 봄이 되면 물고기들이 다시 나타나잖아. 이것은 물고기들이 얼음 밑의 물에서 살아있기 때문인데, 만약에 얼음이 바닥부터 언다면 물고기는 다 죽을 거야. 이와 비슷한 게 지구의 생명체에 적용된단다. 빙하시대 들어봤지? 빙하시대처럼 엄청나게 추웠을 때는 바다 위도 다 얼었을까? 아니란다. 얼음 밑에는 물이 있기 때문에 그곳에서 고대미생물이 살아남아서 빙하기가 끝나도 다시 살아남고 진화를 거듭했던 것인데, 만약에 얼음이 바닥부터 언다면 빙하기에도 지구 전체가 바닷속까지 얼음 덩어리였을 테고 고대미생물이 다 얼어 죽고 현재의 인류로까지 진화하지 못했을 거야.”

“와~ 참 다행이네요.”
“성재야, 그렇다고 이러한 성질이 좋은 점만 있는 것은 아니란다. 이번 겨울에 파이프가 터져서 추위에 고생한 사람들 많다는 얘기 들었지? 겨울철 파이프가 터지는 것도 파이트가 추운 날씨를 못 견디기 때문이 아니고 이 파이프 속을 흐르는 물 때문이란다. 날씨가 급격히 떨어지면 파이프 속에 있던 물이 얼어버리는데. 문제는 물이 얼음으로 바뀌면서 팽창한다는 점이지. 한정된 공간인 파이프 속에서 물이 팽창해서 결국 파이프를 터뜨리게 되는 것이란다. 그래서 파이프 동파를 막기 위해서는 아예 쓰지 않는 파이프의 물은 다 빼버리거나 파이프 주위에 천 등으로 감싸서 따뜻하게 만들어서 얼음이 생기지 않게 하는 거란다. 결국 자연의 성질 하나하나를 얼마나 잘 이용하느냐에 따라서 우리가 행복해질 수도 불행해 질 수도 있는 거란다.”

파이프를 터뜨리는 물의 힘도 놀랍지만, 물의 이러한 성질이 없었다면 지구 생태계가 바뀔 수 있었다니… 성재는 조용히 물속으로 들어갈 수밖에 없었다. 하지만 여전히 물은 뜨거웠다.

‘앗! 뜨거워. 목욕탕 물이 뜨겁지 않다고 한 게 아빠의 거짓말 같은데~’

글 : 유병용 과학칼럼니스트(‘과학으로 만드는 배’ 저자)


ndsl링크 <출처 : 한국과학기술정보연구원 >

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