열에너지 및 물질 상태 변화 알아보자.

물질 상태 변화를 일으키는 열에너지 공부해보자.

물은 증발하면 기체인 수증기가 되고, 온도가 영하로 내려가면 고체인 얼음이 된다. 물질의 상태 변화를 일으키는 것은 열에너지다. 물질의 종류는 고체, 액체, 기체가 있고, 항상 고정된 상태로 머무르지 않는다. 끊임없이 변화하면서 지구상의 생물들이 살아갈 수 있도록 해준다. 열에너지에 의해 물질 상태 변화가 일어나고, 물질을 이루는 분자의 배열도 달라진다. 물질의 상태 변화에 대해 배워보자.

1. 열에너지에 의한 액체의 기화

물이 담긴 전기 주전자에 전원을 연결하여 스위치를 켜면 물이 열에너지를 흡수하여 끓기 시작한다. 물과 같은 액체가 열에너지를 흡수하면 액체를 이루고 있던 분자가 운동이 활발해지고 세져서 공기 중으로 날아간다. 이때, 액체가 기체로 되는 현상이 '기화'이다. 액체는 기체로 변화하면서 주위의 열에너지를 빼앗기 때문에 주변의 온도는 낮아지게 된다. 주사를 맞기 전에 알코올에 묻힌 솜으로 팔을 문지르면 알코올이 기화하면서 팔에 온도를 낮춰져서 시원해진다. 뜨거운 아스팔트 도로에 물을 뿌리는 것도 물이 기화하면서 도로의 온도를 낮추기 때문이다.

 

액체가 기체로 변하면 부피가 증가해서, 분자 사이의 거리가 멀어져 잡아당기는 힘이 작용하지 않는다. 물은 수증기가 되면 부피가 약 1,700배 커지고, 분자 사이의 거리는 10배 이상 멀어지기 때문에 공기 중에 뜰 수 있다.

2. 열에너지 변화에 따른 기체의 액화

기체가 열에너지를 내놓으면 액체가 된다. 액체가 되는 현상을 응축 또는 액화라고 한다. 자연 현상의 하나인 안개는 기체인 수증기가 작은 물방울이 되는 액화를 말한다. 액화의 과정은 수증기의 열에너지를 공기 중으로 내놓기 때문에 주변의 온도가 올라가서 안개가 낀 날의 아침 기온은 포근하게 느껴진다.

3. 고체 액체의 상태 변화와 열에너지

고체가 열에너지를 얻으면 액체가 되고, 뺏기면 고체가 된다. 고체를 가열하면 분자 운동이 활발해져서 액체가 되는 현상을 '융해'라고 한다. 액체를 얼리면 열에너지를 잃고 분자 운동이 느려지면서 고체가 되는 것을 '응고'라고 한다. 겨울에 물이 얼면 주위에 열을 내놓고, 여름에는 열을 빼앗아 온도가 내려간다. 얼음에 소금을 뿌리면 더 빨리 녹는 이유는 녹으면서 주위의 열을 빼앗아 가기 때문이다.

4. 고체 액체 분자 배열 및 부피 변화 알아보기

고체는 분자 사이의 당기는 힘인 인력이라는 강한 힘이 작용한다. 고체가 액체로 변하면, 규칙적인 분자의 배열 상태가 무질서하고 불규칙한 상태로 되면서 인력이 약해진다. 따라서, 액체 상태가 되면 부피가 더 크다. 고체가 액체로 되는 융해 상태는 인력이 약해져 분자가 자유롭게 움직일 수 있다. 고체는 분자 배열이 규칙적이고, 부피도 작다. 액체 상태일 때 보다 고체 상태일 때 부피가 더 큰 물질인 물은 예외적인 현상이다. 물은 얼음이 되면 부피가 더 커지는데 물 분자가 얼면서 육각형 모양으로 모아지기 때문이다.

5. 열에너지에 의한 고체 기체 상태 변화 살펴보자.

물질의 변화에서 고체가 기체로 되는 과정에서 액체 상태를 거치지 않고 바로 기체로 변화한다. 또는 기체에서 바로 고체로 상태가 변하기도 하는데 이런 현상을 '승화'라고 한다. 고체가 기체로 승화할 때는 주위의 열을 뺏고, 기체가 고체로 승화할 때는 방출한다. 주변에서 볼 수 있는 드라이아이스, 나프탈렌, 요오드 기체가 승화 현상의 예이다. 드라이아이스는 아이스크림을 포장할 때 열에너지를 계속 빼앗아 녹지 않게 한다.