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색이 다른 물체가 열을 흡수하는 정도가 다른 이유 무더운 여름날 외출 준비를 할 때 옷 색을 고민한 적이 있을 것이다. 검은 옷은 세련되고 날씬해 보이지만 더울 것 같고, 흰 옷은 시원할 것 같지만 이것저것 신경 쓰인다. 대부분의 사람들은 여름에는 흰 옷이 낫다는 결론에 이르지만, 그 이유를 물어보면 "검은색이 열을 더 받아서"라는 감각적인 답이 전부인 경우가 많다. 실제로 왜 검은색이 더 뜨거워지는지를 설명하려면 빛과 색의 관계에서부터 이야기를 시작해야 한다.색의 차이가 열 흡수의 차이로 이어지는 것은 우연이 아니라 빛의 물리적 성질에서 비롯된 필연적인 결과다. 어떤 색으로 보이느냐는 그 물체가 빛의 어떤 파장을 흡수하고 어떤 파장을 반사하느냐에 따라 결정된다. 그리고 흡수된 빛 에너지는 결국 열로 변..

진공 상태에서 물이 끓는 온도가 낮아지는 이유 해수면에서 물은 100°C에 끓는다. 그런데 해발 5,364m의 에베레스트 베이스캠프에서는 약 83°C에 끓고, 해발 8,849m 정상에서는 약 70°C에서 끓는다. 100°C보다 30°C나 낮은 온도다. 진공에 가까운 환경으로 가면 더 극단적이다. 대기압이 사람의 혈압 수준(약 0.063기압)까지 낮아지면 물은 37°C, 즉 체온에서도 끓기 시작한다. 물을 끓이려면 충분히 가열해야 한다는 상식은 이 수치들 앞에서 절반만 맞는 이야기가 된다.끓는점은 고정된 물성이 아니다. 주변 압력에 따라 변하는 값이다. 물이 100°C에 끓는 것은 해수면에서 1기압이라는 조건이 전제됐을 때의 이야기다. 대기압이 낮아지면 끓는점도 함께 낮아지고, 대기압이 높아지면 끓는점도 ..

음료에 얼음을 넣으면 얼음이 다 녹을 때까지 시원함이 오래 유지된다는 사실은 경험으로 알고 있다. 그런데 생각해보면 이상하다. 얼음은 분명 실온보다 차갑고, 음료와 얼음의 온도 차이만큼 열이 이동하면 금세 온도가 올라야 할 것 같다. 그런데 왜 얼음이 절반 녹았을 때도, 거의 다 녹았을 때도 음료는 여전히 차갑게 유지될까. 얼음이 주는 냉기가 그렇게 오래 지속될 수 있는 이유가 무엇일까.답은 **잠열(latent heat, 숨은열)**이라는 개념에 있다. 물질이 고체에서 액체로, 또는 액체에서 기체로 상태를 바꿀 때, 온도는 변하지 않은 채로 상당한 양의 열에너지를 흡수하는 현상이다. 얼음이 녹는 동안 주변에서 열을 흡수하지만 그 에너지가 온도를 높이는 데가 아니라 얼음의 구조를 바꾸는 데 소비된다. 온..

어릴 때 냉장고 자석을 들고 집 안 곳곳을 돌아다니며 이것저것에 붙여본 경험이 있을 것이다. 철로 된 숟가락에는 딱 붙었는데 알루미늄 냄비에는 미끄러지고, 구리 동전에도 반응이 없었다. 금속인데 왜 어떤 것에는 붙고 어떤 것에는 안 붙는 걸까. 그 차이가 궁금했지만 그냥 넘어갔던 기억이 대부분일 것이다.그 차이는 금속 표면의 문제가 아니라, 원자 내부 전자들의 배열 방식에서 비롯된다. 자석에 반응하는 금속과 그렇지 않은 금속은 겉보기에는 모두 단단하고 빛나는 금속이지만, 전자 구조에서 근본적인 차이가 있다. 자성은 전자의 '스핀'이라는 특성에서 시작되고, 그 스핀이 얼마나 정렬되어 있느냐가 자석에 반응하는지 아닌지를 결정한다. 이 글에서는 자석이 특정 금속에만 반응하는 이유를 전자 구조에서부터 단계적으로..

물속에 담긴 빨대를 옆에서 보면 물 표면을 경계로 꺾여 보인다. 수영장에 들어가면 다리가 실제보다 짧고 굵게 보이고, 바닥은 실제 깊이보다 얕아 보인다. 연못에서 물고기를 손으로 잡으려 하면 보이는 위치를 향해 손을 뻗어도 번번이 놓친다. 놀라운 사실은 물속의 물고기가 눈에 보이는 그 위치에 실제로 존재하지 않는다는 것이다. 눈은 분명히 물고기를 보고 있지만, 그 물고기는 실제로 더 깊고 다른 각도에 있다.눈이 거짓말을 하는 것이 아니다. 빛이 물과 공기를 오가면서 방향을 바꾸기 때문에, 물속에서 나온 빛이 우리 눈에 도달하는 경로가 직선이 아닌 것이다. 우리 뇌는 빛이 항상 직선으로 온다고 가정하고 물체의 위치를 추정하기 때문에, 굴절된 경로를 역추적하면 엉뚱한 위치에 물체가 있다는 결론을 내린다. 이..

빗방울은 왜 항상 동그랄까. 연잎 위에 맺힌 이슬은 왜 납작하게 퍼지지 않고 구슬처럼 또르르 굴러다닐까. 물을 컵에 따르면 컵 모양을 따르는데, 공중에서 자유롭게 떨어지는 물은 어디서 그 동그란 형태를 만드는 것일까. 일상에서 수없이 보아온 장면이지만, 막상 "왜 동그랗지?"라는 질문을 받으면 선뜻 답이 떠오르지 않는다.답은 물 분자들이 서로 당기는 힘, 즉 표면장력에 있다. 표면장력은 액체의 표면이 가능한 한 작아지려는 성질이다. 그리고 같은 부피를 담으면서 표면적이 가장 작은 형태는 수학적으로 단 하나, 구(球)다. 물방울이 동그란 것은 우연이 아니라 에너지를 최소화하려는 물리법칙의 필연적 결과다. 이 글에서는 물 분자의 특성에서 출발해, 표면장력이 어떤 원리로 둥근 형태를 만들어내는지를 단계별로 설..

겨울 등산 중 손이 너무 시려워 두 손바닥을 맞대고 빠르게 비볐던 기억이 있다. 몇 초도 지나지 않아 손이 따뜻해졌다. 열을 공급한 것도, 불을 피운 것도 아닌데 손에서 열이 생겨났다. 어린 시절에는 당연한 일로 여겼지만, 돌아보면 이 단순한 동작 안에 에너지 변환의 핵심 원리가 압축되어 있다. 운동이 열로 바뀌는 것이다.성냥을 갑 옆면에 그을 때도 마찬가지다. 빠르게 긁는 순간 불꽃이 일어난다. 마찰이 화학 반응을 일으킬 만큼의 열을 순간적으로 만들어낸 것이다. 자동차 브레이크를 강하게 밟으면 타이어와 노면 사이에서, 혹은 브레이크 패드와 디스크 사이에서 뜨거운 열이 발생한다. 운석이 대기권을 뚫고 들어올 때 표면이 수천 도로 달궈지는 것도 같은 원리다. 마찰이 일어나는 곳에는 반드시 열이 따라온다. ..

차가운 공기는 소리를 막는다고 생각하기 쉽다. 두꺼운 옷을 입어야 할 만큼 추운 날, 소리도 함께 움츠러들 것 같은 느낌이 드는 것은 자연스럽다. 그러나 실제로는 반대다. 겨울 새벽, 인적이 드문 시간에 멀리서 나는 기차 소리나 강 건너편의 대화 소리가 유독 선명하게 들려온다면, 그것은 착각이 아니다. 차가운 공기가 소리를 더 멀리, 더 선명하게 전달하는 조건을 만들고 있는 것이다.많은 사람들이 소리가 멀리 전달되는 데 유리한 조건으로 따뜻하고 습한 날씨를 떠올린다. 여름날 공기가 활기차게 진동하면 소리도 잘 퍼질 것 같다는 직관이다. 그러나 소리의 전달 거리를 결정하는 것은 공기의 온도 자체가 아니라, 공기 층별로 형성되는 온도 기울기다. 이 기울기가 소리의 방향을 위로 꺾어 올리느냐, 아래로 꺾어 내..

일반 소다석회 유리의 열팽창 계수는 약 9×10⁻⁶/°C다. 1°C 온도가 오를 때마다 유리 1m당 0.009mm씩 늘어난다는 뜻이다. 숫자만 보면 극히 미미한 변화처럼 느껴진다. 그런데 냉장고에서 꺼낸 유리컵(약 5°C)에 끓는 물(100°C)을 부으면 안쪽과 바깥쪽의 온도 차이가 순식간에 80~90°C 이상 벌어진다. 유리 안쪽은 즉시 팽창하려 하고, 열이 미처 전달되지 않은 바깥쪽은 그대로다. 이 짧은 순간의 온도 차이가 유리를 깨뜨린다.유리가 깨지는 원인을 "뜨거운 물 때문"이라고 단순하게 생각하기 쉽지만, 정확하게는 온도 차이가 만드는 내부 응력 때문이다. 유리 전체가 균일하게 뜨거워지면 팽창은 일어나도 균열은 생기지 않는다. 안쪽과 바깥쪽이 서로 다른 속도로 팽창하려 할 때, 그 충돌이 균열로..

냉장고에서 꺼낸 밥을 전자레인지에 넣고 2분을 돌리면 김이 모락모락 오른다. 버튼 하나로 음식이 뜨거워지는 이 장면을 매일 반복하면서도, 정작 전자레인지 안에서 무슨 일이 벌어지는지 생각해본 적은 거의 없다. 어느 날 밥이 담긴 플라스틱 용기를 꺼냈더니 밥은 뜨겁고 용기는 미지근한 것을 보고 문득 이상하다는 생각이 들었다. 열이 음식에서 생겼다면 용기도 함께 뜨거워져야 하는 것 아닌가.그 의문이 전자레인지의 원리로 이어졌다. 전자레인지는 불도 쓰지 않고, 뜨거운 공기도 사용하지 않는다. 눈에 보이지 않는 전자기파를 음식에 쏘는 방식으로 가열한다. 그런데 왜 음식은 뜨거워지고 그릇은 그렇지 않은지, 왜 금속을 넣으면 불꽃이 튀는지, 왜 음식 가장자리만 뜨겁고 가운데는 차가운지 — 이 모든 현상은 분자 수준..