밀폐된 용기 내부의 수증기압이 증가함에 따라 물의 끓는점이 100도 이상으로 상승하는 이유에 대해 설명해 주세요.

Question

높은 산에서 밥을 지으면 쌀이 설익지만, 압력밥솥을 사용하면 밥이 찰지게 잘 익습니다. 밀폐된 용기 내부의 수증기압이 증가함에 따라 물의 끓는점이 100도 이상으로 상승하는 이유에 대해 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

액체가 끓는 현상은 액체 내부에서 발생하는 증기압이 액체 표면을 누르고 있는 외부 기압과 같아질 때 일어납니다. 평지에서 물은 100°C가 되었을 때 내부 증기압이 1기압에 도달하여 끓기 시작합니다. 반면 높은 산 위는 공기가 희박해 외부 기압이 1기압보다 낮기 때문에, 물이 100°C에 도달하기 전에 이미 끓어버립니다. 물은 일단 끓기 시작하면 계속 열을 가해도 온도가 더 올라가지 않으므로, 쌀을 익히기엔 낮은 온도로 유지되어 밥이 설익게 됩니다.

그런데 압력밥솥은 이 외부 압력을 인위적으로 높여 물의 끓는점을 끌어올립니다. 먼저, 밀폐된 압력밥솥을 가열하면 물이 수증기로 바뀌지만 밖으로 빠져나가지 못하고 갇히게 됩니다. 갇힌 수증기 분자들이 계속 밀집하면서 밥솥 내부를 강하게 누르게 되고, 용기 내부 압력은 일반 대기압의 약 2배까지 치솟습니다. 물이 기체로 탈출하려면 액체 내부의 증기압이 표면을 누르는 2기압의 힘을 이겨내야 하기 때문에 물 분자가 2기압에 맞설 만큼 강력한 증기압을 가지려면 분자 운동이 훨씬 격렬해져야 합니다. 이 높은 압력을 뚫고 물이 끓기 위해 필요한 온도는 약 120°C까지 올라갑니다. 이 높아진 열에너지가 쌀 알갱이 깊숙한 곳까지 빠르게 전달되어 녹말을 완전히 말랑하고 찰지게 익히게 됩니다.

Answer 2

안녕하세요. 물의 끓는점이 압력에 따라 변하는 이유는 끓음이 단순히 온도가 높아지는 현상이 아니라, 물 내부에서 발생한 수증기 방울이 외부 압력을 이겨내고 성장할 수 있는 조건이 필요하기 때문입니다. 흔히 알고 있는 물의 끓는점 100℃는 1기압에서의 기준인데요, 물이 끓는다는 것은 물 표면에서만 증발하는 것이 아니라, 물 내부에서도 수증기 방울이 생겨 위로 올라오는 상태를 말합니다. 이를 위해서는 물이 가진 증기압이 주변 압력과 같아져야 합니다. 물 분자는 액체 상태에서도 계속 움직이며 일부는 액체 표면을 빠져나가 수증기가 되며, 온도가 올라갈수록 더 많은 물 분자가 기체 상태로 이동하려 하기 때문에 수증기압이 증가합니다. 결국 물의 증기압이 주변 압력과 같아지는 순간 수증기 방울이 안정적으로 형성되면서 끓기 시작합니다. 일반적인 냄비에서는 주변 압력이 대기압이므로 물의 증기압이 1기압에 도달하는 온도인 100℃에서 끓게 되지만, 높은 산에서는 상황이 달라집니다. 고도가 높아질수록 공기의 양이 줄어들어 대기압이 낮아지는데요, 예를 들어 산 정상에서는 주변 압력이 1기압보다 낮기 때문에 물의 증기압이 낮은 온도에서도 외부 압력과 같아질 수 있습니다. 그래서 물이 100℃보다 낮은 온도에서 끓고, 쌀을 익히는 데 필요한 충분한 열을 전달하지 못해 밥이 설익는 것입니다. 반대로 압력밥솥은 밀폐된 구조를 이용하는데요, 내부에서 물이 가열되면 발생한 수증기가 빠져나가지 못하고 용기 내부의 압력을 높입니다. 압력이 높아지면 물이 끓기 위해서는 더 높은 증기압이 필요하므로, 더 높은 온도까지 가열되어야 끓기 시작합니다. 즉 예를 들어 압력밥솥 내부는 약 1.5~2기압 정도까지 올라갈 수 있으며, 이때 물은 약 120℃ 전후까지 온도가 올라갈 수 있습니다. 감사합니다.