뿌리학습 · 중학 과학탐구
입자 운동과 물질의 상태 변화
물질이 고체에서 액체로, 액체에서 기체로 모습을 바꾸는 것을 상태 변화라 한다. 이때 무엇이 달라지는지를 입자 수준에서 보면 이해가 쉬워진다.
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개념 정리
고체에서 입자들은 규칙적으로 늘어서 있고 서로 강하게 끌어당기고 있어 제자리에서 떨리는 정도로만 움직인다. 여기에 열을 가하면 입자들의 떨림이 점점 강해진다. 그러다 어느 순간 입자들이 서로 떨어져 나가며 훨씬 자유롭게 움직이게 되는데, 이것이 액체가 되는 순간이다. 반대로 열을 빼앗기면 입자들의 움직임이 둔해지고 서로 가까워지면서 고체로 돌아간다.
정리하면 이렇다. 열을 흡수하면 입자 운동이 활발해지고 입자 사이가 멀어진다. 고체에서 액체로, 액체에서 기체로 가는 변화가 여기 해당한다. 열을 방출하면 반대로 입자 운동이 둔해지고 입자 사이가 가까워진다. 기체에서 액체로, 액체에서 고체로 가는 변화가 그렇다.
여기서 방향을 정확히 잡아야 한다. 어떤 물질이 열을 흡수한다는 말은 그 열을 어디선가 가져온다는 뜻이고, 빼앗긴 쪽은 주변이다. 그래서 흡수하는 변화가 일어나면 주변의 온도가 내려간다. 손바닥에 얼음을 올리면 얼음이 손의 열을 가져가므로 손이 시원해진다. 여름철 도로에 물을 뿌려 시원해지는 것도 물이 증발하며 주변 열을 가져가기 때문이다.
방출하는 변화는 반대다. 물이 얼 때는 열을 내놓으므로 주변이 따뜻해진다. 겨울철에 작물이 얼지 않도록 물을 뿌리는 것이 이 원리다. 물이 얼면서 내놓은 열이 작물을 데워 주는 것이다. 얼음은 차갑다는 인상 때문에 반대로 생각하기 쉬운데, 차가운 것과 열을 내놓는 것은 다른 이야기다.
이제 상태 변화에서 가장 헷갈리는 부분을 보자. 얼음을 계속 가열하며 온도를 재면 이상한 구간이 나온다. 온도가 올라가다가 얼음이 물로 바뀌는 동안에는 계속 열을 주는데도 온도가 그대로 멈춰 있다. 다 녹아 물이 되고 나면 다시 올라간다. 물이 끓어 수증기가 되는 동안에도 마찬가지로 멈춘다.
열을 주는데 왜 온도가 오르지 않을까. 그 열이 다른 일에 쓰이고 있기 때문이다. 고체에서 액체가 되려면 입자들을 붙잡고 있던 인력을 이겨내고 서로 떨어져야 하는데, 여기에 에너지가 든다. 가해 준 열이 온도를 올리는 대신 이 일에 쓰이는 것이다. 상태 변화가 끝나면 그때부터 열은 다시 온도를 올리는 데 쓰인다.
가열 곡선은 다섯 구간으로 읽는다. 온도가 오르는 세 구간은 각각 얼음, 물, 수증기의 온도가 오르는 구간이고, 온도가 일정한 두 구간은 얼음이 물로, 물이 수증기로 바뀌는 구간이다. 앞의 수평 구간에 해당하는 온도를 녹는점, 뒤의 수평 구간에 해당하는 온도를 끓는점이라 한다.
거꾸로 수증기를 식히면 그래프가 뒤집힌 모양으로 나오고, 여기서도 온도가 일정한 구간이 두 번 나타난다. 이때도 열은 계속 주변으로 빠져나가고 있다. 그런데도 온도가 내려가지 않는 것은 입자들이 서로 가까워지며 상태가 바뀌는 동안 열을 내놓아, 빠져나가는 만큼을 보충하기 때문이다. 가열할 때는 들어온 열이 입자들을 떼어 놓는 데 쓰이고, 냉각할 때는 입자들이 모이며 열이 나온다. 방향은 반대지만, 상태가 바뀌는 동안에는 열이 드나들어도 온도가 변하지 않는다는 점에서 같은 원리다.
마지막으로 같은 물질이라면 녹는점과 어는점은 같은 값이다. 이름이 둘인 이유는 방향이 다를 뿐이기 때문이다. 물이라면 둘 다 0도다. 가열해서 녹기 시작하는 온도와 냉각해서 얼기 시작하는 온도가 같은 지점이라는 뜻이다.
여기까지 상태 변화를 보았는데, 그 바탕에는 입자가 스스로 움직이고 있다는 사실이 있다. 이것을 눈으로 확인할 수 있는 현상이 둘 있다.
하나는 확산이다. 방 한쪽에서 향수 뚜껑을 열어 두면 시간이 지나 방 전체에서 향기가 난다. 부채질을 하지 않아도 그렇게 된다. 물에 잉크를 한 방울 떨어뜨리고 젓지 않아도 색이 번져 나가는 것도 같다. 이렇게 물질을 이루는 입자가 스스로 움직여 퍼져 나가는 현상을 확산이라고 한다.
여기서 중요한 점이 있다. 밀어 주는 것이 없는데도 퍼진다는 사실이다. 누가 옮겨 준 것이 아니라면 입자가 스스로 움직이고 있다는 뜻이 된다. 확산은 입자의 운동을 보여 주는 증거인 셈이다.
다른 하나는 증발이다. 빨래를 널어 두면 마른다. 물이 끓지 않았는데도 액체였던 물이 기체가 되어 날아간 것이다. 액체의 표면에서 입자가 하나씩 떨어져 나가 기체가 되는 이 현상을 증발이라고 한다.
증발과 끓음을 구분해 두자. 끓음은 주어진 압력에서 일정한 온도에 이르러야 일어나고, 액체 속에서도 기포가 생기며 일어난다. 증발은 그보다 낮은 온도에서도 일어나고 표면에서만 천천히 일어난다. 빨래가 마르는 것, 젖은 머리가 마르는 것, 컵에 담아 둔 물이 며칠 뒤 줄어 있는 것이 모두 증발이다.
두 현상 모두 온도가 높아지면 대체로 빠르게 일어난다. 입자가 더 빠르게 움직이기 때문이다. 다만 실제 빠르기는 다른 조건의 영향도 받는다. 빨래가 마르는 속도는 온도만이 아니라 바람이 부는지, 공기가 얼마나 습한지, 널어 둔 면적이 얼마나 넓은지에 따라서도 달라진다. 그렇다고 온도가 낮으면 일어나지 않는 것은 아니다. 겨울에도 빨래는 마르고 향기는 퍼진다. 다만 느릴 뿐이다.
증발은 앞에서 본 상태 변화의 한 모습이기도 하다. 액체 표면의 입자가 서로 당기는 힘을 이겨내고 떨어져 나가려면 에너지가 있어야 한다. 그 에너지를 주변에서 얻으므로 증발이 일어나는 곳은 시원해진다. 땀이 마르면서 몸이 시원해지는 것이 그 때문이다.
이 단원 시험에서 묻는 것
학교 시험은 교육과정 성취기준을 바탕으로 출제됩니다. 이 단원의 성취기준은 다음을 할 수 있는지 확인하도록 정하고 있습니다.
- [9과04-03]여러 가지 물질의 상태 변화를 관찰하고, 이를 입자 모형으로 설명할 수 있다.
- [9과04-04]물질의 상태 변화와 열에너지 출입 관계를 이해하고, 이를 실생활에 적용하여 과학의 유용성을 인식할 수 있다.
자주 하는 착각
열의 출입 방향
- 열을 흡수하는 물질 자신의 온도가 올라간다고 본다. 흡수라는 말이 더해지는 느낌이라 그렇게 읽힌다. 흡수하는 쪽은 주변에서 열을 빼앗아 오므로, 온도가 내려가는 것은 주변이다. 얼음을 손에 올리면 손이 시원해지는 것이 이 관계다.
- 물이 어는 과정이 주변을 차갑게 만든다고 본다. 얼음은 차갑다는 인상이 강하기 때문이다. 응고는 열을 방출하는 변화이므로 주변을 오히려 따뜻하게 만든다. 겨울철에 작물이 얼지 않도록 물을 뿌리는 것이 이 원리다. 직관과 반대라 반복해서 틀린다.
온도가 일정한 구간
- 열을 흡수하는데도 온도가 오르지 않는 구간을 측정 오류나 예외로 본다. 열을 주면 온도가 오른다는 관계가 견고하기 때문이다. 그 열은 온도를 올리는 대신 입자들이 인력을 이겨내고 떨어지는 데 쓰인다. 열이 사라진 것이 아니라 다른 일에 쓰이는 것이다.
- 냉각 곡선의 수평 구간에서는 열이 빠져나가지 않는다고 본다. 온도가 멈춰 있으니 열의 이동도 멈췄다고 여기기 때문이다. 이 구간에서도 열은 계속 주변으로 빠져나간다. 다만 입자들이 서로 가까워지며 상태가 바뀌는 동안 열을 내놓으므로, 빠져나가는 만큼이 보충되어 온도가 내려가지 않는다. 가열과 냉각은 열의 출입 방향만 반대일 뿐, 상태가 바뀌는 동안에는 열이 드나들어도 온도가 변하지 않는다는 점은 같다.
- 녹는점과 어는점을 서로 다른 값으로 본다. 이름이 둘이니 값도 둘이라고 여기기 때문이다. 같은 물질이라면 두 값은 같다. 가열해서 녹는 온도와 냉각해서 어는 온도가 같은 지점이다.
- 확산을 무언가가 퍼져 나가는 현상으로만 보고 입자와 잇지 못한다. 눈에 보이는 퍼짐에 주목하기 때문이다. 향기가 방 안에 퍼지는 것은 향기 입자가 스스로 움직여 공기 입자 사이를 돌아다니기 때문이다. 밀어 주는 것이 없어도 퍼진다는 점이 입자가 스스로 운동하고 있다는 증거다.
- 증발을 끓는 것과 같은 일로 본다. 둘 다 액체가 기체가 되기 때문이다. 끓음은 주어진 압력에서 일정한 온도에 이르면 액체 속에서도 기포가 생기며 일어나지만, 증발은 그보다 낮은 온도에서 표면에서만 천천히 일어난다. 빨래가 마르는 것은 끓지 않아도 액체가 기체가 될 수 있다는 것을 보여 준다.
- 온도가 높을 때만 확산과 증발이 일어난다고 본다. 더울수록 빨리 마르는 경험 때문이다. 온도가 낮아도 입자는 움직이고 있으므로 두 현상은 일어난다. 다만 온도가 높을수록 입자가 빠르게 움직여 더 빨리 일어날 뿐이다.
이런 오개념, 나도 갖고 있을까?
열을 흡수한 물질은 스스로 온도가 올라간다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
흡수라는 말이 '무언가를 더 가져오는' 느낌을 주다 보니, 열을 흡수한 쪽이 따뜻해진다고 생각하기 쉬워요. 실제로는 열을 흡수하는 물질이 주변에서 열을 빼앗아 오기 때문에, 온도가 내려가는 쪽은 주변이에요. 얼음을 손에 올렸을 때 손이 시원해지는 것도, 얼음이 손의 열을 빼앗아 가기 때문에 나타나는 현상이에요.
물이 어는 과정은 열을 방출하기 때문에 주변을 오히려 따뜻하게 만든다.정답 보기
O (맞는 설명이에요)
얼음이 차갑다는 인상이 강하다 보니, 물이 어는 과정도 주변을 차갑게 만든다고 생각하기 쉬워요. 그런데 응고는 물질이 열을 주변으로 내보내는 변화예요. 실제로는 물이 얼 때 열이 주변으로 방출되기 때문에 주변 온도가 올라가는 효과가 생겨요. 겨울철에 작물이 얼지 않도록 물을 뿌리는 것도 바로 이 원리를 이용한 거예요.
물질이 열을 흡수하는데도 온도가 오르지 않는 구간은 측정 오류나 예외적인 현상이다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
열을 주면 온도가 오른다는 관계가 일상에서 자주 경험되다 보니, 열을 줘도 온도가 변하지 않는 구간을 이상하거나 잘못된 측정으로 받아들이기 쉬워요. 실제로는 그 구간에서 열이 사라진 것이 아니라, 온도를 올리는 대신 입자들이 서로 끌어당기는 힘을 이겨내고 떨어지는 데 쓰이는 거예요. 즉, 열은 다른 일을 하고 있을 뿐 없어지지 않아요.
나머지 OX 문제와 4지선다 문제는 앱에서 풀어볼 수 있어요.
자주 묻는 질문
교육부 고시 제2022-33호 과학탐구 교육과정 기반