겨울철 수도관이 얼어터지는 이유가 물이 얼면서 분자 구조가 육각형의 빈공간을 형성하며 부피가 팽창하는 독특한 성질 때문이라고 하는데, 그 원리가 궁금합니다.

Question

겨울철 수도관이 얼어터지는 이유가 물이 얼면서 분자 구조가 육각형의 빈공간을 형성하며 부피가 팽창하는 독특한 성질 때문이라고 하는데, 그 원리가 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

겨울철 수도관 파열은 물이 얼 때 수소 결합에 의해 육각형 결정 구조를 형성하면서 부피가 늘어나 파이프 내부에 엄청난 압력을 가하기 때문입니다.

액체 상태의 물 분자는 열에너지 덕분에 활발하게 움직이며 물 분자들은 서로의 빈 공간 사이로 끌려들어 가며 유동적이고 조밀하게 뭉쳐 있어 밀도가 상대적으로 높습니다. 온도가 0°C 이하로 떨어지면 분자의 운동 에너지가 감소하면서 하나의 물 분자가 주변의 다른 4개 물 분자와 결합하여 정사면체 구도를 이루고, 이 구조들이 규칙적으로 연결되면서 3차원 육각형 고리 구조를 만듭니다. 이 육각형 구조의 중심부에는 분자가 들어가지 못하는 넉넉한 공간이 생기며, 분자 사이의 평균 거리가 액체일 때보다 오히려 멀어져 밀도는 낮아지고 전체 부피는 팽창하게 됩니다.

수도관 내부에서 물이 얼기 시작하면 얼음 덩어리가 관을 막아 남아있는 물을 갇힌 상태로 있으며, 얼음이 계속 팽창하면서 갇혀 있는 물과 관 벽에 내부 압력이 지속적으로 상승합니다. 이 내부 압력이 수도관 재질의 인장 강도를 넘어서는 순간, 관의 가장 약한 부위가 버티지 못하고 터지게 됩니다.