[정면승부] 물은 100도에서 끓는다, 꼭 그럴까?

[YTN 라디오 이동형의 뉴스 정면승부]

■ 방송 : FM 94.5 (17:30~19:30)

■ 방송일 : 2021년 6월 11일 (금요일)

■ 대담 : 과학커뮤니케이터 궤도

* 아래 텍스트는 실제 방송 내용과 차이가 있을 수 있으니 보다 정확한 내용은 방송으로 확인하시기 바랍니다.

[정면승부] 물은 100도에서 끓는다, 꼭 그럴까?

◇ 이동형 앵커(이하 이동형)> YTN라디오 이동형의 뉴스 정면승부 3부 시작합니다. 기분 좋은 금요일 퇴근길에 만나는 사이언스, 한 주간의 과학 이슈를 전해드립니다. <퇴근길 과학 궴성> 과학커뮤니케이터 궤도 나오셨습니다. 어서 오십시오.

◆ 과학커뮤니케이터 궤도(이하 궤도)> 네, 안녕하세요. 과학커뮤니케이터 궤도입니다.

◇ 이동형> 지난 시간까지 암호 화폐 3부작 이야기했고요, 오늘은 새로운 주제로 만나볼 차례인데. 어떤 주제를 가져오셨습니까?

◆ 궤도> ‘라면 물은 100도에서 끓을까?’ 라는 주제를 가지고 왔습니다.

◇ 이동형> ‘라면 물은 100도에서 끓을까?’. 물은 100도에서 끓는 것이 아닙니까?

◆ 궤도> 그렇죠. 오늘 이 이야기를 할 텐데, 케임브리지 대학에 세계적인 석박, 장하석 교수님이 계신데, 이분 실제로 영국에서 만나 보았거든요. 이 분이 자주 하시는 말씀, 과학 철학에 대한 이야기를 오늘 해보려고 합니다.

◇ 이동형> 과학철학. 안 어울리는 거 같은데. 과학과 철학이라.

◆ 궤도> 과학적 사고에 대한 철학적 탐구라고 보시면 될 거 같아요.

◇ 이동형> 물이 100도씨에서 끓는다. 이것은 다들 알고 있을 거 같은데요. 이 이야기를 왜 하신 거에요?

◆ 궤도> 물은 섭씨 100도씨에서 끓죠. 여기에 여러 가지 전제 조건이 또 들어갑니다. 기압이 1기압이라는 전제가 있어요 사실. 산에 가면 기압이 낮아서 낮은 온도에서 끓죠. 그래서 라면이나 밥이 안 익고.

◇ 이동형> 그래서 비행기 탔을 때, 라면이 맛이 없다는 이야기가 있고.

◆ 궤도> 맞아요. 또 무엇이 있을까요?

◇ 이동형> 또요?

◆ 궤도> 1기압 그리고 사실 순수한 물이라는 표현이 들어가야 해요. 불순물이 섞여 있을 때는 1기압이라도 100도씨에서 끓지가 않습니다. 그렇다면, 1기압에서 불순물이 섞여 있지 않은 물이라면 100도에서 끓을까요?

◇ 이동형> 네.

◆ 궤도> 그럴까요?

◇ 이동형> 네.

◆ 궤도> 그렇지 않죠. “그럴까요?” 이것이 굉장히 중요한 질문이라 오늘 이렇게 말씀을 드리고 싶은 거에요.

◇ 이동형> 그냥 말씀하신대로 1기압에 물이면, 100도에 끓을 거 같은데. 아니면 조리기구가 중요합니까? 그것에서?

◆ 궤도> 또 여러 가지 가설을 세우시는 것이 정말 멋집니다. 이게 19세기 후반까지 굉장히 오랫동안 많은 과학자들의 정말 중요한 주제였는데. 1776년 영국 왕립학회가 온도계 고정점을 결정하는 위원회를 구성을 했어요. 여기서 이제 물에 끓는 온도에 대한 이야기가 나왔는데, 여러 요인에 따라 달라진다는 결과를 발표를 했죠. 그래서 일단 끓는점은 “ 끓는다.”라는 것을 먼저 정의를 해야하 는데. ‘끓는다.’ 어떻게 정의를 하십니까?

◇ 이동형> 끓는다? 보글보글?

◆ 궤도> 보글보글 맞아요. 사전에서는 열을 받아 일정한 온도에 이르러, 부글거리며 김을 내다. 이렇게 되어 있는데. 과학 백과사전은 액체가 표면과 내부에서 기포가 발생하면서 끓기 시작한 온도를 끓는점이라고 하거든요. 이걸 기준으로 생각하는 것이 맞는데, 사실 끓는 시점을 정의하는 거부터 굉장히 애매합니다. 예를 들어 기포가 생기기 시작하면 끓는 것이냐, 아니면 팔팔 끓을 때를 기준으로 해야 하느냐.

◇ 이동형> 팔팔 끓을 때?

◆ 궤도> 네, 그렇죠. 팔팔 끓을 때?

◇ 이동형> 네 저는 그렇게 생각을 합니다.

◆ 궤도> 네, 이것의 과정을 한 번 보면서 이야기를 하는 것이 좋을 거 같아요. 일단은 머릿속으로 물을 한 번 끓여보겠습니다. 집에서 라면을 끓이니까 다들 하실 수 있으실 텐데, 온도계를 담그고 관찰을 하는 것이에요. 그러면 한동안 물이 굉장히 잠잠합니다. 그러다가 온도가 올라가면 바닥부터 거품이 생기죠. 이 조그만 거품이 점점 큰 거품이 되고, 기포라고도 하고, 거품이라고도 하는데, 일단 거품이 순 우리말이라서. 그래서 몇 도부터 거품이 나오는지를 보면, 90도 이전부터 이 거품이 나오거든요. 그러다가 기포가 수면을 뚫고 나오면서 이제 김이 나는데, 이 김이 나는 온도가 95도 정도 되요. 그리고 물이 팔팔 끓는다고 하면 100도 정도에서 이제 온도가 안정이 되는 것이죠. 끓는데, 아무리 끓어도 이제 100도에서 왔다, 갔다 하니까 이제 끓는점을 100도라고 하는구나. 이렇게 되는 것이죠.

◇ 이동형> 그런데 아까 조리기구에 따라 틀릴 수도 있다고 했잖아요? 예를 들면 뭐 쇠에 다가 끓이느냐, 스테인레스에 끓이느냐. 아니면 뚝배기에 끓이느냐에 따라 다 달라집니까?

◆ 궤도> 그렇죠. 그러니까 우리는 물의 끓는점을 100도라고 생각을 하고 있어요. 재밌는 것은 금속 그릇에다가 끓이면 그 안정된 온도가 100도. 유리그릇에다가 끓이면 그 안정된 온도가 101.2도 정도 나와요. 이거, 라면 끓여본 분들은 아마 아실 텐데, 양은 냄비 사용하면 온도가 낮아서 잘 끓거든요.

◇ 이동형> 더 빨리 끓지 않나요?

◆ 궤도> 맞아요. 더 빨리 끓으니까, 잘 끓는 느낌이 나잖아요. 이게 냄비 재질에 따라서 끓는점이 바뀐다는 것입니다.

◇ 이동형> 그런데 그러면 양은 냄비는 100도인데 유리 냄비는 왜 101도가 될까요?

◆ 궤도> 그러니까요. 사실 이것을 설명하려면, 굉장히 어려운 내용이에요. 여러 가지 이유가 있지만, 조금 간단히 설명을 드리면 거품이 얼마나 잘 생기느냐에 달려있습니다. 그래서 액체 상태의 물이 증기로 변할 때, 잔열을 흡수를 하거든요. 쉽게 말해서 에너지를 조금 가져가는 것인데. 그러다 보니까 온도가 더 이상 올라가지 않고 계속 에너지를 이제 증기로 뺏어가면서 일정하게 유지가 되는 것인데. 거품이 충분히 빨리 안 생기면 열의 입력이 출력보다 높은 것이에요. 그러다 보니까 빨리빨리 열이 안 빠져나가서 온도가 올라가는 것이고, 그래서 이것을 초가열 현상이라고 하는 것입니다. 만약 거품이 빨리 생긴다. 예를 들어 양은 냄비 같은 경우는 그 표면이 생긴 모양부터 거품이 빨리 생겨요. 굉장히 많은 물약이 들어가 있는데, 거품이 잘 생기는 재질이라 거품 때문에 열을 과하게 빨리 잃어버리는 것이에요.

◇ 이동형> 빨리 끓고 빨리 식고.

◆ 궤도> 네, 그래서 끓는점이 낮아지는 것이고. 결국 거품이 잘 생기고, 안 생기고 표면의 성질이나 미세한 구조 때문에 달라진다는 것이죠.

◇ 이동형> 그러면 뚝배기 같은 경우에는 천천히 끓고, 천천히 식고.

◆ 궤도> 거품 자체가 이제 빨리 안 생기는 재질이니까, 에너지를 충분히 먹은 다음에 거품이 생기는 것이니까.

◇ 이동형> 그러면 그것은 열의 전도율 문제 아닌가요?

◆ 궤도> 당연히 그 부분도 있죠. 그런데 그 표면 안에서 거품의 형태가 어떻게 만들어 지느냐. 그 표면의 미세한 거침이나 구멍 같은 것들이 다 영향을 줍니다.

◇ 이동형> 결국은 그러면 거품이네요.

◆ 궤도> 거품이 핵심입니다.

◇ 이동형> 그러면 우리가 처음에 라면은 100도에 끓는다, 이것이 오늘의 화두잖아요? 정답은 뭐에요?

◆ 궤도> 정답은 또 이것이 기승전결이 있기 때문에, 차근차근 가야해요.

◇ 이동형> 그러면, 결국은 100도보다 높다 이 말입니까? 아까 유리는 101도에서 끓는다고 했으니까.

◆ 궤도> 일단은 거품이 굉장히 중요한 요소라서. 거품을 보면, 어디서부터 생기죠? 거품이?

◇ 이동형> 바닥부터 생기겠죠.

◆ 궤도> 왜 그렇죠?

◇ 이동형> 거기가 제일 뜨거우니까.

◆ 궤도> 그렇죠 바닥부터 끓이니까. 그것부터가 공정하지 않은 거에요. 그래서 스위스의 사업가인 ‘들룩’이라는 분이 계세요. 이 분이 실험을 하는데, 주로 바닥부터 물울 끓이니까 바닥에 거품이 생기는데, 그것은 사실 측면이나, 공기가 접촉을 하는 표면 있잖아요? 위쪽. 여기서는 열 손실이 잃어난다는 것이죠. 이것은 부당하다 그래서 실험을 설계합니다. 중탕을 설계를 해요. 어떻게 하냐면, 목이 아주 가느다란 플라스크 있잖아요? 이것을 수조에 넣고, 수조에 기름을 꽉 채웁니다. 그러면 이제 기름을 끓이면, 중탕이 되는 것이죠. 바닥이 아니라 모든 부분에서 같은 열을 받으면서. 그래서 250도 정도의 기름에 넣었더니, 물이 끓는점이 100도를 넘어갔어요. 이 말이 뭐냐면, 평형을 이루지 않고 온도가 계속 올라갔다는 것인데, 거품이 처음에 막 생기다가 나중에 거품이 점점 느려집니다. 생기는 것이. 그러다가 거품이 사라져요. 그랬다가 갑자기 거품이 터지면서 플라스크 밖으로 폭발을 합니다. 이 온도가 바로 105도. 그래서 이제 끓는점이 105도일까요?

◇ 이동형> 그르네요.

◆ 궤도> 아니죠. 이거뿐만이 아니에요. 또 문제가 있는 것이, 이 사람이 거품은 정말 물이 기화된 것이 맞나, 라는 고민에 빠진 것이에요. 거품 때문에 물이 끓는 것을 도와주잖아요? 그럼 물이 녹아있는, 물에 녹아있는 공기 때문에 우리가 끓는점을 정확히 모르는 것이 아니냐, 이런 생각에 빠지게 되고. 그래서 실제로 물을 끓일 때, 나오는 거품이 물이 수증기로 바뀌면서 나오는 것이 아니라 물이 녹아있던 공기가 아닌가 하는 생각을 하게 되는 것이죠. 들룩이라는 사람이.

◇ 이동형> 결국은 우리가 상식으로 배웠던 그냥 물은 100도에 끓는다, 이건 아닌 거네요? 그러면. 주변 영향에 따라서 달라진다?

◆ 궤도> 물 끓일 때 온도 재보신 적 있으세요?

◇ 이동형> 없죠.

◆ 궤도> 그런데 이 들룩이라는 사업가는 너무 궁금했던 나머지 이제 물에 녹아있던 공기를 한 번 없애보자, 라고 생각을 해요. 어떻게 없애시겠어요? 만약에 물에 녹아있는 공기를 없앤다.

◇ 이동형> 계속 끓이면 되지 않을까요? 수증기가 빠져나가니까.

◆ 궤도> 그런데 끓여도, 끓이자마자 또 바로 공기가 녹아 들어올 것이 아니겠어요. 그래서 이 사람이 어떻게 했냐면 우선 물을 끓인 다음에, 공기를 최대한 뺐겠죠. 팔팔 끓은 물을 일단 밀봉을 합니다. 꽉 채우고 그 다음에 이 플라스크를 그대로 놔두어서 식혀요. 그래도 녹아있는 공기가 있다고 판단을 해서, 이분이 이제 이것을 흔들어요. 4주 동안 흔듭니다. 잠 잘 때 외에는 계속 흔드는 거에요. 그러고 나면, 확실히 거품이 빠졌겠죠, 안에 녹아있던 기체가. 그 다음에 끓였더니, 112도까지 잠잠하다가 갑자기 폭발을 했대요.

◇ 이동형> 공기하고도 연관이 있다.

◆ 궤도> 그렇죠, 녹아있는 기체하고도 연관이 있다. 왜냐면, 거품의 형성에 도움이 되니까.

◇ 이동형> 자, 그러면 결론은 맨 마지막에 기승전결로 내신다고 했으니까. 이거하고 철학하고 무슨 상관이에요? 전혀 상관이 없는 거 같은데.

◆ 궤도> 이게 굉장히 중요한 관련이 있죠. 왜냐면, 지금 결말로 가고 있는데, 어떻게 보면 우리는 1기압의 순수한 물이 100도에서 끓는다. 이것으로 알고 있어도 우리 생활에는 아무런 지장은 없어요. 그런데 중요한 것은 제가 말씀을 드린 내용을 봐도, 끓는다는 현상 자체가 단순히 “딱, 끓는다.” 이렇게 말할 수 없고. 여러 가지 현상을 동시다발적으로 묶어서 그냥 뭉뚱그려서 말하는 것이거든요. 이거 자체가. 그래서 이 물이 끓는다는 아주 단순한 이 현상자체도 과학자들은 아무 생각 없이 보지 않는다. 여기서 중요한 것이 뭐냐면, 왜 여기서 과학 철학 이야기가 나오냐면, 우리가 이제 아이들에게 많이 교육을 하잖아요. 1기압의 순수한 물은 항상 섭씨 100도에서 끓는다. 이것을 아이들의 머릿속에 집어넣는 것이 중요한 것이 아니라는 겁니다. 그래서 이걸 외우는 것보다 중요한 것은 실제 거기까지 도달하기 위한 과학자들의 탐구과정, 어떻게 보면 과학이라는 것은 전문가들의 영역이잖아요. 근데, 우리가 어릴 때, 1기압의 순수한 물이 100도에서 끓는 다는 것을 배웠지만, 누구도 이것을 해보지 않습니다. 왜냐면, 전문가가 아니니까 해볼 필요가 없다고 생각을 하는 것이죠. 근데 이것은 굉장히 간단한 것이잖아요. 그런데 우리 속에 정보는 남아있지만, 결국 그 과정에서의 과학적 사고나, 탐구과정. 이런 것들. 어떻게 보면 과학 문화적인 가치가 실종이 되어있죠. 그래서 가장 효율적인 교육은 정답을 체계적으로 가르치는 것이 가장 좋긴 합니다. 그러면 그 지점에 딱 도달을 할 수 있으니까 굉장히 빠르게 다음 단계로 나아갈 수 있겠죠. 근데, 과학에서 이게 굉장히 어렵다는 것이에요. 왜냐면, 과학은 정답이 없는 경우가 너무나도 많아요.

◇ 이동형> 오히려 반대로 철학이 정답이 없는 경우가 많은데.

◆ 궤도> 과학도 마찬가지입니다. 지금 보세요. 물이 100도에서 끓는다는 것조차 지금 정답이 아니잖아요. 그래서 정답은 너무나도 많은데 우리가 아이들에게 가르치는 것이 정답으로 믿어지는 것을 가르치는 것이 아니라 어떻게 우리가 그것, 스스로 과학자들이 했는지.

◇ 이동형> 그 과정을 찾아가는 것이다?

◆ 궤도> 과학적 사고 과정을 알려 주어야한다. 이게 굉장히 중요하고, 이런 과학적 사고가 어떻게 보면 과학적 철학이라고 말하는, 그 탐구과정에 대한 고민이 아닌가, 이런 말씀을 드리고 싶어서.

◇ 이동형> 들어보니까 맞는 말인데. 저는 그냥 단순하게 100도에 끓는다고 생각할게요.

◆ 궤도> 그렇게 말씀하실 거 같았는데, 저는 이렇게 시니컬한 진행자 분의 태도가 너무 마음에 들고, 저랑 계속 같이 보다보면, 언젠가 과학에 빠지지 않을까? 기대를 해봅니다.

◇ 이동형> 제가 이제 과학 감수성이 전혀 없어서. 학교 다닐 때도 인문학적 소양만 쌓았지, 과학은 아예 그냥 그래서, 이동형의 촉 이런 것을 해도 정치적인 것으로 저 사람이 왜 저렇게 행동하고, 발언을 했나, 이런 것만 탐구하지. 왜 100도에 끓고, 0도에 얼고 이런 것은 몰라서.

◆ 궤도> 그것은 과학이 아닐까요? 저는 촉이라고 하신.

◇ 이동형> 그것도 통계의 일종이라고 할 수 있죠.

◆ 궤도> 저는 엄청난 과학적 사고 과정이라고 봅니다. 그렇지 않으셨으면 그 자리에 계시기 어렵다. 굉장히 과학적으로 사고하고 계신 겁니다.

◇ 이동형> 그러면, 조금 더 우리 청취자 분들과 함께 이런 시간을 가져서, 저도 과학적 사고를 키우고, 청취자 분들도 과학적 사고를 키우셨으면 합니다. 다음 주에는 물 아니고 다른 것?

◆ 궤도> 다음 주에 물에 대한 또 다른 이야기를 가져올 계획인데요. 아주 재밌는 이야기를 준비하겠습니다.

◇ 이동형> 기대하겠습니다. 지금까지 물에 숨겨진 과학에 대해 알아봤습니다. 퇴근길 과학 궴성, 과학커뮤니케이터 궤도와 함께했습니다. 고맙습니다.

◆ 궤도> 감사합니다.