겨울철 외부 온도가 영하로 떨어질 때 야외 수도관이 동파되는 원리를 물 분자 간 수소 결합에 따른 부피와 밀도 변화에 관련 지어 설명해 주세요.

Question

겨울에 기온이 많이 떨어지면 수도관이 동파되는 경우가 많은데, 이처럼 겨울철 외부 온도가 영하로 떨어질 때 야외 수도관이 동파되는 원리를 물 분자 간 수소 결합에 따른 부피와 밀도 변화에 관련 지어 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

겨울철에 수도관이 동파되는 현상은 물의 독특한 성질, 특히 수소 결합에 따른 부피와 밀도 변화와 밀접하게 관련되어 있습니다.

물이 액체 상태일 때는 분자들이 끊임없이 움직이며 수소 결합이 형성되었다가 깨지기를 반복합니다. 이 때문에 분자 간 거리가 비교적 가까워 밀도가 높습니다. 그러나 기온이 영하로 떨어져 물이 얼기 시작하면, 물 분자들은 안정된 수소 결합 네트워크를 만들며 육각형 격자 구조를 형성합니다. 이 구조는 액체 상태보다 분자 간 거리를 더 넓히기 때문에, 같은 질량의 물이라도 고체 상태에서는 부피가 약 9% 정도 증가합니다.

이 부피 팽창은 단순히 물이 얼음으로 변하는 과정에서 나타나는 자연스러운 결과지만, 밀폐된 공간인 수도관 내부에서는 큰 압력으로 작용합니다. 금속이나 플라스틱으로 된 수도관은 내부에서 발생하는 팽창 압력을 견디기 어렵고, 결국 균열이 생기거나 파손됩니다. 따라서 겨울철에 기온이 급격히 떨어지면 수도관이 동파되는 것입니다.

정리하면, 물 분자 간 수소 결합이 얼음에서 더 규칙적이고 넓은 격자 구조를 만들기 때문에 부피가 늘어나고 밀도가 줄어들며, 이 팽창 압력이 수도관을 파손시키는 원리라고 설명할 수 있습니다.

Answer 2

안녕하세요.

겨울철에 기온이 0 ℃ 이하로 떨어지면 수도관 내부의 물이 얼면서 부피가 증가하여 관이 파손되는 현상이 나타나는데, 이는 물 분자 사이의 수소 결합에 따라서 부피가 오히려 증가하기 때문입니다.

물은 액체 상태에서는 분자들이 비교적 자유롭게 움직이며, 수소 결합이 계속 형성되고 끊어지는 동적인 구조를 가집니다. 이때 분자들은 서로 최대한 가깝게 모일 수 있기 때문에 비교적 높은 밀도를 가지며, 실제로 물은 약 4 ℃에서 밀도가 최대가 되는데요, 이보다 온도가 더 낮아져 0 ℃ 이하로 내려가면, 물 분자들은 에너지가 감소하면서 운동성이 줄어듭니다. 또한 안정한 구조를 이루기 위해 수소 결합이 규칙적으로 정렬되며 육각형 격자 구조를 형성합니다. 이 육각형 구조에서는 각 물 분자가 네 방향으로 수소 결합을 형성하면서 일정한 간격을 유지하는데요, 이 구조는 분자들이 액체 상태일 때보다 더 느슨하게 배열된 형태입니다. 이처럼 분자 사이의 평균 거리가 증가하게 되어 전체 부피가 커지게 되는데요, 물이 얼음으로 변할 때 약 9% 정도 부피가 팽창하고, 밀도는 오히려 감소하기 때문에 얼음이 물 위에 뜨는 것입니다.

하지만 이러한 부피 팽창이 밀폐된 공간인 수도관 내부에서 발생하면 물이 얼면서 팽창하려고 하지만, 관 내부는 제한된 공간이므로 그 팽창이 그대로 압력 증가로 이어지는 것입니다. 결국 금속이나 플라스틱으로 된 수도관의 구조적 강도를 초과하면 결국 관이 갈라지거나 터지게 되는 것입니다. 감사합니다.