■어째서 얼음 아래의 물은 얼지 않은 것일까?
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| 인제대 창의력교육센터장 컴퓨터응용과학부 mathkim@inje.ac.kr | |
창의 : 와~! 저수지의 물이 꽁꽁 얼었네요. 이렇게 추운 겨울날에도 낚시를 할 수 있나요?
아빠 : 저기 얼음을 깨고 낚시를 하는 사람들을 보렴.
창의 : 저렇게 물이 꽁꽁 얼었는데 고기도 얼지 않았을까요?
아빠 : 그럴까? 자~창의야, 한 번 잘 보렴.
창의 : 얼음 아래의 물은 얼지 않았어요?!
창의가 신기해 하면서 놀란다.
창의 : 어째서 얼음 아래의 물은 얼지 않은 것일까요?
꽁꽁 얼어붙은 호수나 저수지에서 구멍을 내어 그 속에 낚시 줄을 넣으면 차가운 얼음물에서도 싱싱한 물고기를 잡을 수 있지요. 얼음을 깨고 낚시를 할 수 있는 것은 저수지의 얼음 아래에는 물고기가 살고 있으며 저수지 아래의 물은 얼지 않았다는 것이죠. 그런데, 어떻게 저수지 표면의 물이 꽁꽁 얼었는데도 물속은 얼지 않고 물고기들이 생활할 수 있을까요?
■밀도가 다르다는 것은 어떻게 나타날까?
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| 겨울철 꽁꽁 언 강가에서 어부가 막대로 얼음을 깨고 있다. 얼음의 밀도는 물보다 작아 물 위로 뜨기 때문에 얼음 아래의 물은 얼지 않아 물고기가 살 수 있다. 국제신문 DB | |
창의 : 아빠 밀도가 뭐예요? 가볍다는 것이 밀도하고 관련이 있나요?
아빠 : 가볍다거나 무겁다고 하는 질량과는 조금 다른 개념이란다. 밀도란 일정한 부피에 해당하는 질량을 말하지.물질의 양에 따라 달라지지 않는 고유한 값이란다. 그래서 물질을 구별하는 성질이 될 수 있지.
창의 : 그러면 물질마다 밀도가 다르다는 것인가요?
아빠 : 그렇지. 밀도가 같으면 같은 물질이란다.
각 물질은 양에 따라 달라지지 않는 고유한 값 '밀도'를 가져요. 밀도는 일정한 부피에 해당하는 물질의 질량을 말해요. 즉 '밀도=(질량/부피)'이예요. 물질의 부피나 질량은 물질의 양에 따라 달라지므로 물질의 특성이 될 수 없으나 밀도는 물질의 고유한 값이기 때문에 물질의 고유특성이 될 수 있지요.
■왕관 이야기에 얽힌 아르키메데스의 재치
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| 물과 얼음의 밀도 비교. | |
아르키메데스는 밀도를 이용해서 왕관이 순금으로 만들어지지 않았음을 알아냈어요. 왕관을 이루는 물질의 질량은 금덩어리와 같았으나 부피가 다르기 때문에 물속에 넣었을 때 금덩어리가 밀어내는 물의 부피와 왕관이 밀어내는 물의 부피가 다르다는 것을 알아내어서 왕관이 순수한 금으로 만들어지지 않았음을 발견해 내었어요. 만들어진 왕관의 부피가 질량이 왕관과 같은 금덩어리의 부피보다 더 큰 것으로 나타났기에 실험대상인 왕관은 100% 순금으로 만들어진 것이 아니라 밀도가 더 작은 물질을 섞어 만들었음을 알게 된 것이에요.
여러분은 소풍가기 전 날 밤에 냉장고의 냉동실에 넣어 둔 생수병이 얼어서 부피가 늘어난 것을 볼 수 있었을 거예요. 이것은 물이 얼어 얼음이 되면 부피가 증가한다는 것을 말해요. 따라서 얼음의 밀도는 항상 물의 밀도보다 작고, 그래서 얼음은 물 위로 뜨게 되지요.
그래서 꽁꽁 언 저수지의 물고기들은 얼음 아래 물속에서 살아서 겨울을 지내게 되지요.
■물이 얼 때 부피가 줄어든다면 저수지에서 어떤 일이 일어날까요?
이런 상상을 해 봐요. 물이 얼 때 물의 부피가 줄어든다면 저수지에서 어떤 일이 일어날까요?
저수지의 물이 얼면 부피가 줄어들므로 언 물은 밀도가 커져 저수지는 밑바닥부터 얼게 되고, 따라서 더 얕아진 물은 더욱 빨리 얼어서 순식간에 저수지 전체는 얼음이 되고 모든 생물체는 얼음에 갇혀서 죽고 말겠지요. 그러나 실제로는 이런 일은 일어나지 않지요? 자연의 이치는 참으로 묘하지 않나요? 정말 자연의 이치는 참으로 신비하죠. 자연의 작은 부분에도 과학적 법칙이 숨어 있다니! 자연 속에서 항상 과학적 원리를 찾는 재미를 느껴보세요.
■읽을거리: 몸이 뜨는 호수가 있다고?
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| 사해에서 물에 뜬 채로 신문을 읽는 사람. | |
면적 1020㎢ , 동서길이 15㎞, 남북길이 약 80㎞, 최대 깊이 399m, 평균 깊이 146m의 사해. 이스라엘과 요르단에 걸쳐 있으며, 북으로부터 요르단 강물이 흘러들지만, 이 호수의 물이 나가는 곳은 없어요. 이 지방은 건조기후이기 때문에 흘러들어 오는 물과 거의 같은 양의 수분이 증발되어 이 호수는 염분농도가 매우 높아 호수표면의 염분농도는 200‰(바닷물의 약 5배), 호수아래는 염분농도가 약 300‰이에요. (염분 : 물 1㎏에 녹아 있는 소금의 그램 수, 단위 :‰) 따라서 강물이 흘러 들어오는 호수의 입구 근처 이외에는 생물이 거의 살지 않으며, 사해(죽음의 바다)라는 이름도 이런 이유에서 붙여졌어요.
예로부터 이 호수는 높은 염분농도 때문에 사람 몸이 뜨기 쉬운 것으로 유명하지요.
그러면 몸이 뜨는 이유는 무엇일까요?
이것은 사해에 녹아 있는 소금의 농도가 매우 높아서 사해의 평균 밀도가 사람의 평균 밀도보다 크기 때문이랍니다.
■창의력 문제
[문제1] 소금을 많이 넣은 소금물일수록 계란이 떠오른다는 것은 무엇을 나타내는가?
〈풀이〉 소금물의 농도가 증가할수록 밀도가 증가한다.
[문제 2] 4도 찬물과 50도 더운물이 위, 아래로 있을 때 어떤 경우가 더 잘 섞일까?
〈풀이〉 4도 찬물이 위쪽, 50도 더운물이 아래쪽에 있을 때 더 잘 섞인다.
