투명한 얼음을 음료에 넣으면 왜 '쩌적' 하고 금이 가는 소리가 날까요?

Question

카페에서 아이스 아메리카노를 마실 때, 차가운 얼음 위로 에스프레소나 물을 붓는 순간 안에 있던 얼음들이 '쩌적' 하고 갈라지는 비명 소리가 나잖아요. 차가웠던 얼음 표면이 상대적으로 따뜻한 액체를 만나서 급격하게 팽창하다가, 안쪽과의 온도 차이에서 오는 물리적인 스트레스를 못 이기고 스스로 깨져버리는 열역학 반응인 걸까요?

Answer 1

안녕하세요. 정철 박사입니다.

차가운 얼음 표면이 따뜻한 음료와 접촉하면서 급격한 온도차가 생기고, 표면과 내부의 열팽창 차이로 발생한 열응력이 얼음 내부 균열을 일으키기 때문입니다.

Answer 2

안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.

저도 한때 궁금해서 찾아본적이 있었습니다.

알고계신데로 얼음위로 뜨거운 액체가 닿게 되면 닿는 부분의 온도가 순간적으로 올라가게 됩니다. 얼음의 경우 온도가 올라가면 부피가 순간적으로 늘어나게 되는데 겉면은 늘어나는데 내부는 차가운 상태로 그대로 버티려 하는 힘간의 상호 충돌로 얼음 내부의 응력이 한계를 초과하면 깨어지게 되는 것 입니다.

열역학의 핵심 개념인 열전달, 부피변화, 에너지보존 원리가 동시에 작용해서 나타나는 현상입니다.

그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다:)

Answer 3

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

말씀하신 내용이 정확한 과학적 원리입니다. 카페에서 차가운 얼음 위로 음료를 부을 때 들리는 쩌적 하는 소리는 얼음 표면과 내부의 급격한 온도 차이로 인해 발생하는 열팽창 스트레스가 원인입니다.

​단단한 고체 상태인 얼음에 상대적으로 온도가 높은 액체가 닿으면, 액체와 직접 접촉하는 얼음의 겉면은 온도가 빠르게 상승합니다. 대부분의 물질과 마찬가지로 얼음 역시 온도가 올라가면 부피가 미세하게 늘어나는 열팽창 현상이 일어납니다. 반면, 얼음의 중심부는 여전히 영하의 차가운 온도를 유지하고 있어 부피 변화가 거의 없습니다.

​이때 얼음 외곽은 팽창하려 하고 중심부는 이를 붙잡고 있으면서, 얼음 내부에는 순간적으로 강한 물리적 압박인 열응력이 쌓이게 됩니다. 얼음은 유연하게 늘어나는 성질이 없는 취성 물질이기 때문에, 이 스트레스가 얼음이 버틸 수 있는 한계를 넘어서는 순간 균열이 생기며 파괴됩니다. 이때 균열이 얼음 내부로 빠르게 응축되어 쪼개지면서 우리가 듣는 '쩌적' 하는 소리가 나게 됩니다.

​특히 투명한 얼음일수록 이 소리가 더 선명하게 날 수 있습니다. 불투명한 얼음은 내부에 미세한 기포나 균열이 이미 많아 열스트레스가 분산되는 반면, 투명하고 단단한 얼음은 스트레스를 내부 구조 전체로 축적하다가 한 번에 깨지기 때문입니다. 결국 질문자님이 생각하신 대로, 급격한 온도 변화를 이겨내지 못하고 얼음 구조가 비명을 지르며 갈라지는 물리적인 열충격 현상이 맞습니다.