겨울에 호수가 바닥까지 얼지 않는 이유는 물의 특성 때문입니다.
물 분자 (H2O)는 얼음을 구성할 때 규칙적인 결정 격자를 형성합니다. 얼음 속 분자 간 거리는 액체 상태의 물 분자 간 거리보다 큽니다.
물의 밀도는 온도에 따라 달라집니다. 최대 밀도는 약 3.7°C에서 나타납니다. 그보다 낮은 온도에서는 물의 밀도가 감소하고 부피가 팽창합니다.
- 액체 상태의 물보다 밀도가 낮은 얼음은 표면에 뜨게 됩니다.
- 형성된 얼음 층은 단열층 역할을 하여 밑의 물을 차가운 공기로부터 보호하고 추가적인 얼음 형성을 막습니다.
- 얼음 아래의 물 온도는 0°C 이상을 유지하여 얼지 않도록 합니다.
두꺼운 얼음층 아래 물이 얼지 않는 이유는 무엇일까요?
호수의 온도 조절은 두꺼운 얼음층 아래 물이 얼지 않는 조건을 만듭니다.
- 물의 밀도는 온도에 직접적으로 영향을 받습니다. 따뜻한 물은 밀도가 높아 바닥으로 가라앉고, 차가운 물은 밀도가 낮아 위로 올라가 얼음 아래에 온도 구배를 형성합니다.
- 얼음 표면 근처의 물 온도는 최저이며 0°C에 가깝습니다. 추가적인 냉각이 발생하면 물이 결정화되어 얼음이 형성됩니다. 하지만 결정화된 물이 아래로 이동하면 더 따뜻하고 밀도가 높은 층을 만나게 되어 더 이상 얼지 않도록 방해합니다.
- 대류 현상은 호수 내부에서 물의 끊임없는 이동을 유지하여 얼음 형성을 억제합니다. 깊은 곳의 따뜻한 물이 표면으로 올라오고, 차가운 물이 아래로 가라앉아 온도를 균일하게 유지하고 얼음 형성 속도를 늦춥니다.
어떤 물이 더 빨리 얼까요?
직관과 다르게 뜨거운 물이 더 빨리 얼게 됩니다. 그 이유는 다음과 같습니다.
- 뜨거운 물은 열용량이 크기 때문에 식는 데 더 오랜 시간이 걸립니다.
- 뜨거운 물이 식으면 수증기 방울이 생성되는데, 이는 얼음 결정이 형성되는 핵심 역할을 합니다.
두꺼운 얼음층 아래 물이 얼지 않는 이유는 무엇이고, 옷이 따뜻하게 해준다는 표현이 왜 잘못된 것일까요?
얼음은 장벽 역할을 합니다: 물 표면이 얼음으로 덮이면, 얼음은 단열층을 형성하여 아래의 물이 더 이상 얼지 않도록 막습니다.
옷이 따뜻하게 해준다는 표현의 오류: 옷은 열을 내는 것이 아니라 몸에서 발생하는 열을 보존하는 역할을 합니다.
어떤 물이 더 잘 얼까요?
냉장고에 놓인 차가운 물과 뜨거운 물이 담긴 두 개의 용기 중에서 뜨거운 물이 더 빨리 얼게 됩니다. 예를 들어, 혹한기에 뜨거운 물이 흐르는 외부 노출된 파이프는 차가운 물이 흐르는 파이프보다 더 빨리 얼어붙는 현상을 통해 이를 확인할 수 있습니다.