은 산 위에서 밥을 하면 쌀이 설익는데요, 외부 압력과 액체의 끓는점 사이의 관계를 증기압 곡선을 이용하여 설명해 주세요.

Question

높은 산 위에서 밥을 하면 쌀이 설익는데요, 외부 압력과 액체의 끓는점 사이의 관계를 증기압 곡선을 이용하여 설명해 주시고, 압력솥을 사용하면 이 문제를 해결할 수 있는 이유가 무엇인지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

높은 산에서 밥을 하면 쌀이 설익는 이유는 외부 압력과 끓는점의 관계로 설명할 수 있습니다.

액체가 끓는다는 것은, 액체 내부에서 발생하는 증기압이 외부 압력과 같아져서 기포가 형성되고 안정적으로 성장할 수 있는 상태를 말합니다. 평지에서는 대기압이 약 1기압이므로 물의 증기압이 이 값에 도달하는 온도가 약 100 ℃입니다. 따라서 물은 100 ℃에서 끓습니다.

하지만 높은 산에서는 대기압이 낮습니다. 예를 들어 해발 3,000 m에서는 대기압이 약 0.7기압 정도밖에 되지 않습니다. 이때 물의 증기압 곡선을 보면, 0.7기압에 해당하는 증기압은 약 90 ℃ 부근에서 달성됩니다. 즉, 물은 90 ℃에서 끓어버리고 더 이상 온도가 올라가지 못합니다. 밥을 짓는 데 필요한 충분한 열(쌀의 전분을 완전히 호화시키는 데 필요한 온도)이 확보되지 못하므로 밥이 설익게 되는 것입니다.

이 문제를 해결하기 위해 사용하는 것이 압력솥(압력밥솥)입니다. 압력솥은 내부를 밀폐하여 수증기가 빠져나가지 못하게 하고, 내부 압력을 대기압보다 높게 유지합니다. 예를 들어 압력솥 내부 압력이 1.5기압까지 올라가면, 물의 증기압 곡선에 따라 끓는점은 약 110 ℃ 이상으로 상승합니다. 이렇게 되면 물이 더 높은 온도까지 가열될 수 있어 쌀이 충분히 익고 밥이 잘 지어집니다.

Answer 2

안녕하세요.

말씀해주신 것처럼 고도가 높은 산에서 밥이 설익는 현상은 외부 압력과 액체의 끓는점의 관계 때문입니다. 우선 끓는점이란 액체의 증기압이 외부 압력과 같아지는 순간을 말하는데요, 이때 증기압은 액체 표면에서 기체로 빠져나간 분자들이 만들어내는 압력인데, 온도가 높아질수록 분자들의 운동 에너지가 증가하여 더 많은 분자가 기체 상태로 이동하므로 증기압이 커집니다. 이 관계를 그래프로 나타낸 것이 증기압 곡선인데요, 이 곡선에서는 온도에 따라 증기압이 어떻게 증가하는지를 나타내며 특정 외부 압력과 만나는 지점이 그 압력에서의 끓는점이 됩니다. 높은 산의 경우처럼 고도가 높아질수록 대기압이 낮아지다보니, 증기압 곡선에서 더 낮은 온도에서도 외부 압력과 같아지는 지점이 생기게 됩니다. 따라서 물이 평지에서는 100 °C에서 끓지만, 산 위에서는 그보다 낮은 온도인 90 °C 근처에서도 끓게 됩니다. 이때 밥을 짓는 과정은 쌀 내부의 전분이 충분히 호화되도록 높은 온도에서 열을 가하는 과정인데요, 물이 낮은 온도에서 끓어버리면 그 이상 온도가 올라가지 못하고 계속 끓기만 하므로, 쌀이 충분히 익지 않아 설익게 되는 것입니다.

이 경우 압력솥을 사용하면 내부를 밀폐하여 외부보다 높은 압력을 만들어내는데요, 내부 압력이 증가하면, 물이 끓기 위해서는 그에 맞는 더 높은 증기압이 필요하게 됩니다. 즉, 증기압 곡선에서 더 높은 온도까지 올라가야 외부 압력과 같아지면서 끓는점이 상승하는 것입니다. 감사합니다.

Answer 3

안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.

액체가 기체가 된다는 것은 액체가 온도를 얻어 기압이 높아지게 되는데 이때 액체의 증기압과 기압이 같아질때 액체가 끓게 됩니다.

끊는점은 증기압 곡선에서 현재 압력과 기압이 만나는 지점을 말하는데 산위에 올라가면 공기가 부족하기 때문에 외부의 기압이 낮아지게 됩니다. 기압이 낮아지게 되면서 물의 증기압이 낮은 온도에서도 기압과 같아지기 때문에 물이 낮은 온도에서 부터 끓기 시작합니다.

이러한 현상을 끓는점 내림 이라고 합니다.

압력솥은 이러한 끓는점 내림을 막기 위해서 내부를 고무바킹등으로 완전히 밀폐하여 내부의 기체가 외부로 빠져나가지 못하게 하여 압력을 강제로 높히게 됩니다. 그러면 압력이 높아져 오히려 끓는점이 높아지게 되는데 실제로 120도 정도에서 끓게 됩니다.

그래서 높은 산위에서도 압력솥을 사용하면 설익지 않은 밥을 먹을 수 있고 평지에서 밥을 할 경우에도 더 뜨거운 열이 밥알 깊숙히 전달이 되어 맛있는 밥을 만들 수 있습니다.

그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다~! 더 궁금한게 있으시면 언제든지 문의 주십시요:)