물은 왜 섭씨 백 도에서 끓게 되는 걸까요 그 까닭은 무엇일까요

Question

물이 일정한 온도에서 끓는 이유와 온도 변화에 따른 상태 변화 원리를 이해하기 위한 설명을 바탕으로 성실한 답변을 기대합니다.,.

Answer 1

안녕하세요.

끓는다는 현상은 액체의 증기압이 외부 압력과 동일해져서 액체 내부 전체에서 기포가 형성되어 기체로 전환되는 상태를 말합니다. 물 분자는 수소 결합이라는 분자 간 인력으로 묶여 있는데요, 온도가 올라가면 분자들의 운동 에너지가 증가하면서 이 인력을 점차 극복하게 됩니다. 하지만 액체 내부에서 기포가 형성되려면 단순히 일부 분자가 표면에서 증발하는 것과 달리, 액체 전체에서 기체가 안정적으로 존재할 수 있어야 하는데요, 이때 증기압은 액체가 기체로 변하려는 경향의 정도를 나타냅니다. 이 증기압은 온도가 올라갈수록 급격히 증가하는데요, 물의 경우 온도가 상승함에 따라 증기압이 점점 커지다가, 표준 대기압인 1기압과 같아지는 지점이 바로 100 °C이며, 이 시점에서는 액체 내부 어디서든 기포가 생성되어도 외부 압력에 눌리지 않고 유지될 수 있기 때문에 물 전체가 동시에 끓기 시작합니다.

따라서 물이 100 °C에서 끓는다는 것은 1기압이라는 조건에서 증기압이 그 값에 도달하는 온도를 의미합니다. 즉 실제로 압력이 낮은 높은 산에서는 더 낮은 온도에서 끓고, 압력이 높은 압력솥에서는 100 °C보다 높은 온도에서 끓게 되는 것처럼 끓는점은 물질의 고유 성질이면서도 외부 압력에 의해 결정되는 상대적인 값입니다. 또한 물은 끓는 과정에서 온도가 계속 올라가는 것이 아니라 온도가 더 이상 올라가지 않고 일정하게 유지되는 구간이 나타나는데요, 이는 공급된 열에너지가 온도를 높이는 데 쓰이는 것이 아니라, 분자 간 결합인 수소 결합을 끊어 기체 상태로 전환하는 데 사용되기 때문입니다. 감사합니다.

Answer 2

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

물이 섭씨 100도에서 끓는 까닭은 물의 증기압과 외부 대기압이 같아지는 순간이 바로 그 온도이기 때문입니다. 액체 상태의 물은 분자들이 서로 수소 결합으로 묶여 있어 쉽게 기체로 날아가지 못합니다. 하지만 열을 가하면 분자 운동이 점점 활발해지고, 표면에서 일부 분자가 수증기로 탈출하려는 힘이 커집니다.

이때 물 속에서 생기는 증기압이 외부의 대기압과 같아지면, 더 이상 표면에서만 증발하는 것이 아니라 물 전체에서 기포가 생겨 올라오게 됩니다. 이것이 우리가 보는 끓끓 현상입니다. 해수면에서 대기압은 1기압으로 일정하기 때문에, 물은 그 조건에서 섭씨 100도에 도달했을 때 끓게 되는 것입니다.

다만 이 온도는 절대적인 값이 아니라 압력에 따라 달라집니다. 높은 산처럼 대기압이 낮은 곳에서는 물이 100도보다 낮은 온도에서 끓고, 압력솥처럼 내부 압력을 높인 환경에서는 100도보다 높은 온도에서 끓습니다. 따라서 끓는점은 물 자체의 성질과 외부 환경이 함께 결정하는 상대적인 개념이라 할 수 있습니다.

즉, 물이 100도에서 끓는 이유는 분자 운동이 충분히 커져 증기압이 대기압과 같아지는 순간이 바로 그 온도이기 때문이며, 이는 물의 수소 결합과 외부 압력 조건이 맞물린 결과입니다.