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거품에 대해 이야기해 봅시다. 끓는 물로 가득 찬 냄비에 보이는 거품이 정확히 무엇인지 아십니까? 어떤 사람들은 비눗방울처럼 우리가 알고 있는 많은 거품이 실제로 공기로 채워져 있기 때문에 공기라고 생각합니다. 다른 사람들은 물이 끓을 때 물의 성질에서 화학적 변화의 결과로 수소나 산소가 빠져나가는 것이라고 생각합니다.
그러나 이러한 가정 중 어느 것도 사실이 아닙니다. 냄비에 물을 붓고 가열하기 시작하면 냄비 측면에 거품이 관찰됩니다. 이 거품은 실제로 공기입니다. 대부분의 물에는 용해된 공기가 포함되어 있습니다. 물을 데우기 시작하면 이 용해된 공기가 물에서 빠져나갑니다. 그러나 이러한 거품은 끓는 물과 관련된 거품이 아닙니다.
물이 끓으면 생기는 일
물이 끓으면 화학적 변화가 아니라 물리적 변화가 일어난다. 물 분자는 수소와 산소로 분리되지 않고 물 분자 사이의 극성 결합이 끊어져 끓는점에 도달하여 물리적으로 액체에서 기체로 변합니다.
물은 고체, 액체, 기체의 세 가지 형태로 존재한다는 것을 이미 알고 있을 것입니다. 우리는 고체 형태를 얼음으로 알고 있습니다. 액체 형태는 물론 우리가 마시는 물입니다. 기체 형태는 수증기입니다. 수증기는 우리 주변, 공기 중에 거의 항상 존재합니다. 우리는 그것을 볼 수 없습니다.
액체를 끓여서 기체로 바꾸려면 증기압이 대기압과 같아질 때까지 액체를 가열해야 합니다. 물의 경우 약 100°C에서 발생합니다. 이러한 이유로 물의 끓는점은 100°C로 간주됩니다. 그러나 물의 끓는점은 실제로 고도, 대기압, 물에 있는 다른 화학 물질의 존재 등 여러 요인에 따라 더 높거나 낮을 수 있습니다.
물이 끓으면 열 에너지가 물 분자로 전달되어 더 빨리 움직이기 시작합니다. 결국 분자는 액체로 서로 달라붙기에는 운동 에너지가 너무 큽니다. 다음으로 기체 수증기 분자가 형성됩니다. 이들은 거품 형태로 표면에 떠다니며 공기를 통해 이동합니다.
끓는 물이 담긴 냄비의 거품은 공기가 아니라 기체 상태의 물인 물로 이루어져 있습니다. 물과 공기로 채워진 냄비처럼 보이는 것은 실제로는 두 가지 물리적 상태이지만 실제로는 물로만 채워진 냄비입니다.
액체가 거품 없이 끓을 수 있습니까?
기포 없이 액체가 끓을 수 있도록 특별히 설계된 표면을 상상해 보십시오. 그것은 모순되게 들리며, 어떤 면에서는 그렇습니다. 그러나 다음을 고려하십시오.
매우 뜨거운 팬에 작은 물 한 방울을 떨어뜨리면 분산되어 증발하는 데 최대 1분 정도 걸립니다. 처음 접촉할 때 뜨거운 표면은 물방울의 일부를 기화시켜 물방울과 뜨거운 표면 사이에 절연 증기층을 만듭니다. 이것은 이중창의 공기실에서 일어나는 것과 매우 유사합니다. 이 증기 층은 뜨거운 표면이 소위 라이덴프로스트 지점 위에 있는 경우에만 유지될 수 있습니다.
Leidenfrost 증기층은 또한 비등 및 냉각에서 중요한 역할을 합니다. 뜨거운 팬에 작은 물 한 방울을 떨어뜨리는 대신 뜨거운 주전자에 물을 채우면 주전자가 라이덴프로스트 온도 아래로 식을 때 라이덴프로스트 증기층이 무너집니다. 그 결과 물이 (여전히) 뜨거운 표면에 직접 닿으면 증기 기포가 폭발합니다.
라이덴프로스트 효과에 대한 간략한 설명
1756년 요한 고틀로브 라이덴프로스트(Johann Gottlob Leidenfrost)는 수증기 막의 부상으로 인해 충분히 뜨거운 냄비에서 물방울이 미끄러지는 것을 관찰했습니다. 이 필름은 뜨거운 표면이 임계 온도 이상일 때만 안정적이며 끓는 현상의 중심 현상입니다.
소위 Leidenfrost 영역에서 증기층의 낮은 열전도율은 뜨거운 표면과 액체 사이의 열 전달을 방지합니다. 냉각 표면 온도가 임계 온도 아래로 떨어지면 증기막이 붕괴되고 시스템이 핵 비등 영역에 들어갑니다. 이것은 원자력 발전소와 같은 일부 환경에서 특히 피해를 주는 증기 폭발로 이어질 수 있습니다.
한편, 이러한 증기막의 존재는 또한 액체-고체 저항을 감소시킬 수 있습니다.
출처
- 코너, N. (2019). 라이덴프로스트 효과 란 ? 라이덴프로스트 포인트: 정의.
- Dominguez, M. (sf). 물리적 변화와 화학적 변화 .
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- 산체스, G. (2015). 물질 집합체 상태 .
- Valdivielso, A. (sf). 물의 증발 이란 ?