슬슬 날이 더워지기 시작한다. 더위를 피하기 위해 에어컨을 찾지만, 전력 소모도 많고 환경 문제가 염려돼 부담이 간다. 역시 더위를 식히는데는 선풍기가 친근하다. 선풍기를 돌리는 프로펠러의 원리를 이용하면 비행기로 하늘을 날 수도 있고,CSI 마이애미편에서 나오는 것처럼 배를 만들어 물 위는 물론 풀, 늪지 위에서 떠 다니며 이동할 수 있다. 배와 잠수함을 물 속에서 이동시킬 수 있다. 선풍기가 회전하면 바람이 일어나는 것처럼 회전에 의해서 날개깃이 공기나 물을 뒤쪽으로 밀어젖히고, 그 반동으로 선박을 전진시킨다. 그런데 배나 잠수함이 이동하는 것을 보면 잠수함의 스크루가 돌면서 무수히 많은 물방울이 생긴다. 이 물방울은 무엇이며 왜 생기는 것일까? 많은 사람들은 이것을 우리가 물 속에서 숨을 쉴 때 나오는 것과 같은 공기 방울이라고 생각하기 쉽다. 그러나 이 기포들은 그러한 공기 방울이 아니라 물이 끓어서 생긴 기포, 즉 수증기 방울이다.‘스크루가 너무 빨리 돌아 많은 열이 발생해서 그렇겠지.’ 이렇게 생각하기 쉬운데, 이것은 열에 의해 물이 끓는 현상이 아니라 ‘압력’에 의해서 물이 끓는 현상이다.

그러면 압력이 낮아지는 것과 물이 끓는 것과는 무슨 관계가 있을까? 간단한 실험을 통해 알아보자. 실험을 위해 500㎖ 둥근 바닥 플라스크, 히터 또는 알코올 램프, 온도계, 물을 준비한다.

먼저 플라스크에 3분의1정도 물을 채우고 알코올 램프로 가열하고 물이 끓는 모습을 관찰한다. 물이 끓는 것을 보면 플라스크 밑바닥에서 기포가 올라와 마침내 부글부글 끓는다. 물이 끓으면 섭씨 100도 정도의 온도가 될 것이다. 다음엔 약 80∼85도 정도로 식힌다. 이 온도는 분명히 물이 끓는 온도가 아니다. 물을 식혔으면 플라스크 구멍을 잘 막은 후 거꾸로 삼발이 위에 올려놓는다. 그리고 찬물을 부어 본다. 그러면 아까 알코올 램프로 물을 끓이던 것과 같이 물이 부글부글 끓는 것을 볼 수 있다. 이것을 어떻게 설명해야 할까? 사실 원리는 간단하다.‘끓는다’는 것은 액체의 증기 압력이 외부 압력과 같아졌을 때를 말한다. 그리고 이 때 외부로 나타나는 현상이 바로 우리가 관찰한 부글거리는 모습이다. 보통 물의 끓는점이 100도라고 하는 것은 외부 압력을 우리가 생활하는 이 환경, 즉 1기압으로 상정하기 때문이다. 증기 압력은 물이 증기가 될 때 나타나는 압력이다. 물의 온도가 올라갈수록 기체가 되는 입자가 많아지게 되고 증기 압력이 높아지게 된다. 이 압력이 대기 압력과 같아지게 되면 물이 끓게 된다.

그런데 식힌 물이 왜 100도보다 낮은 온도에서 끓는 것일까? 물이 끓으면 플라스크 안에 있는 많은 공기 분자들이 수증기에 의해 밖으로 빠져나간 상태가 된다. 앞서 실험에서 플라스크 안의 공기가 밖으로 빠져나가지 못한 상태에서 낮은 온도로 식히면 플라스크 안에 수증기가 물로 바뀌고 순간적으로 플라스크 안의 기압이 낮아지게 된다. 그러면서 플라스크 안의 물이 끓게 되는 것이다. 이것은 높은 산에 올라가면 100도가 되지 않았는 데도 물이 끓는 원리와 같은 것이다.

배나 잠수함의 스크루에서 나타나는 기포도 압력의 차이로 생겨나는 현상이다. 배의 스크루가 돌아가면 물이 밀려나오면서 스크루 뒷부분의 압력이 낮아지게 된다. 주변보다 압력이 낮아지면 물 속에 녹아 있던 공기가 기화돼 부글부글거리며 눈에 보이는 것이다.

홍준의 한성과학고 교사