액체질소에 따뜻한 물을 부으니 연기가 폭발하듯 올라오던데 왜 그런가요?
어제과학 마술쇼를 보러 갔는데 액체 질소에 뜨거운물을 부으니 연기가 잔득 생기더라구요. 왜 그런 현상이 생기는 건가요. 알려주세요.
안녕하세요. 김학영 과학전문가입니다.액체 질소는 극도로 낮은 온도인 -196℃에서 상태를 유지합니다. 그러나 따뜻한 물을 부으면 물의 온도가 높아져서 증발이 발생합니다. 이 때, 증발에 필요한 열이 주변에서 빠르게 흡수되면서 주위 온도가 급격하게 낮아지게 됩니다. 그러면 액체 질소가 빠르게 증발하여 공기 중의 증기로 바뀌게 되는데, 이 증기가 과열되면서 액체 질소와 공기 중의 산소와 반응하여 아주 큰 폭발 소리를 내며 연기와 물방울이 폭발적으로 발생하는 것입니다.
즉, 따뜻한 물을 부으면서 발생한 증기와, 그 과정에서 생긴 열이 주변 공기를 빠르게 식히고, 그 결과 액체 질소가 폭발적으로 증발하면서 발생하는 것입니다. 이러한 현상은 대체로 위험하므로, 적절한 안전조치를 취한 후에 시행해야 합니다.
안녕하세요. 김경태 과학전문가입니다.
액체 질소는 극저온 상태에서 가스 상태로 바뀌는데, 그 과정에서 뜨거운 물을 부으면 물의 표면 온도가 급격히 낮아지면서 물 분자가 고체로 응축되어 작은 얼음 조각들이 형성되는 것입니다. 이 과정에서 뜨거운 물에서 발생하는 수증기가 고체 상태로 응축되어 작은 얼음 조각들이 형성되기 때문에 연기와 같은 현상이 관찰됩니다.
물 분자들은 기온이 낮아질수록 서로에게서 멀어지면서 서로 붙어 있으며, 얼음 조각이 형성될 때에는 뜨거운 물 분자들이 고체로 응축되어 얼음 조각을 형성하고, 분자들 간의 결합력이 증가하게 됩니다. 이런 과정에서 뜨거운 물을 부었을 때의 수증기가 고체로 응축되는 것이지요. 이러한 현상을 노빙(Nobing) 현상이라고도 합니다.
이러한 노빙 현상은 일상 생활에서도 볼 수 있는데, 양동이나 컵에 물을 부으면서 얼음을 만들거나, 가정용 냉장고에서 물을 얼리는 것과 같은 원리입니다. 다만, 액체 질소를 사용하면서 극저온 상태에서 얼음 조각을 만드는 것은 극적이고 흥미로운 실험으로 활용되는 것입니다.
액체 질소는 매우 낮은 온도인 -196도 정도에서 존재하는 물질로, 그 온도로 인해 뜨거운 물을 부었을 때 연기가 폭발하는 듯한 현상이 나타나는 것입니다. 이는 뜨거운 물을 부으면 그 물의 수증기가 빠르게 상승하면서, 주변 공기를 휘젓고 형성된 수증기와 공기가 굉장한 압력을 발생시켜서 연기가 폭발하는 것으로 보입니다. 이는 연기의 폭발적인 상승 현상을 보기 위해 재현되는 마술 효과 중 하나이며, 실제로 이러한 현상을 일상적으로 관찰하기는 어렵습니다. 하지만 낮은 온도에서의 물질의 특성과 상태 변화에 대해 이해하는데 도움이 될 수 있습니다.