[궁금한 S] 겨울과 관련된 재미있는 과학 이야기

[앵커]
과학에 대한 모든 궁금증을 풀어주는 '궁금한 S' 시간입니다.

찌릿한 정전기가 발생하는 이유부터 김연아 선수가 트리플 악셀을 매끄럽게 선보였던 비밀까지, 겨울철 일상생활에도 다양한 과학적 원리를 찾아볼 수 있는데요.

어떤 원리가 숨어있을지 지금 바로 화면으로 만나보시죠.

[이효종 / 과학유튜버]
안녕하세요! 과학의 모든 궁금증을 해결하는 궁금한 S의 이효종입니다.

궁금한 S와 함께할 오늘의 이야기 만나볼게요.

건조한 겨울에 찾아오는 불청객! 바로 정전기인데요. 따끔따끔하고 불쾌한 정전기는 도대체 왜 일어나는 것일까요?

물질은 원자로 이뤄져 있습니다. 원자는 다시 핵과 전자로 이뤄져 있죠.

재미있는 사실은 원자나 분자를 구성하는 물질들의 가장 바깥쪽, 즉 핵과 우연히 멀리 떨어져 있는 전자들은 마찰만으로도 이리저리 옮겨 다닐 수 있습니다.

이러한 현상을 우리는 대전 현상, 또는 마찰 전기 현상이라고 부릅니다.

일반적으로 전기가 잘 흐르지 않는 물질인 부도체, 또는 절연체들끼리 마찰했을 때 나타나는 현상이죠.

정전기가 발생하기 위한 조건은 이렇습니다.

부도체 중에서도 전자를 쉽게 잃는 성질을 가지고 있는 부도체 A와 전자를 쉽게 끌어당기는 성질을 가지고 있는 부도체 B가 마찰하면서 A의 전자가 B로 이동하기만 하면 준비는 끝납니다.

이제 충분히 쌓인 전자들이 공기를 타고 방전될 수 있는 거리까지 도달하면 공간을 타고 전자들이 쏟아져 흐르게 됩니다.

이러한 현상을 '전기 방전'이라고 부르며 바로 이 방전에 의해 순간적으로 이동한 전자들에 의해 우리는 따끔한 느낌을 느끼게 되는 것입니다.

놀라운 것은 바로 이 정전기의 '방전'으로부터 발생하는 전압은 작게는 2,000V에서 많게는 5,000V까지 그 양이 엄청납니다.

이 정도면 거의 번개와 비슷한 전압이 발생하는 건데 우리는 왜 따끔한 느낌만 받을 뿐 죽지 않는 걸까요?

그 비밀은 바로 아무리 높은 전압 차를 가졌다 할지라도 실제로 이동한 전자의 수 자체. 즉 똑같은 시간 동안 얼만큼의 전자가 흘렀는지를 아는 양인 '전류'가 아주 작기 때문입니다.

신기하지 않나요?

생활 속에서 정전기를 예방하는 방법은 뭐가 있을까요?

바로 습도를 높이는 것입니다.

가습기를 틀거나 젖은 빨래를 널어서 습도를 충분히 높이면 정전기를 예방할 수 있어요.

또는 작은 어항이나 수분을 많이 함유한 다육 식물을 두는 것도 좋은 방법 중 하나이죠.

그러면 실외처럼 환경을 통제할 수 없는 곳에서 정전기의 방전을 줄이는 방법은 무엇일까요?

바로 동전을 이용하면 됩니다.

보통 차 문을 열 때나 계단의 난간을 잡을 때 정전기를 느끼는 분들이 많은데요.

그럴 때는 금속 물질인 동전이나 열쇠로 차 문이나 계단을 살짝 건드려 정전기를 방출시키면 따끔한 느낌을 느끼지 않게 됩니다.

다음은 겨울과 관련된 두 번째 궁금증입니다.

겨울이 되면 즐길 수 있는 재미있는 스포츠! 바로 스케이트인데요.

얼음과 스케이트는 모두 고체인데요.

일반적으로 고체 사이에는 마찰력이 많이 작용하기 때문에 잘 미끄러지지 않습니다.

그런데도 스케이트가 얼음 위를 미끄럽게 이동할 수 있는 이유는 무엇일까요?

이는 물질이 어떤 성분으로 구성되어 있는지 그 액체가 어떤 분자로, 어떤 원자로 이뤄져 있는지에 대한 고유의 성질로 접근해야 합니다.

그리고 그런 고유한 성질을 일목요연하게 보여주는 그래프를 우리는 '상평형 그래프'라고 하는데요.

'상평형 그래프'란 물질의 세 가지 상태가 압력과 온도에 따라 어떻게 달라지는지를 한 눈으로 볼 수 있도록 만든 다이어그램이에요.

먼저 이 상평형 그래프를 읽는 방법에 대해 알려드릴게요. 가로축은 온도, 그리고 세로축은 압력으로 되어 있어요.

그리고 마치 Y처럼 뻗어 나가는 이러한 곡선의 형태에서 왼쪽은 고체, 중간은 액체, 그리고 오른쪽은 기체의 상태로 존재하는 영역을 나타내게 되죠.

그러니까 물질이 여기에 있다고 가정하면 이만큼의 기압과 이만큼의 기압에서 이 물질은 고체, 그리고 여기에서는 액체, 그리고 여기에서는 기체가 된다는 의미이죠.

이 그래프를 제대로 이해하기 위해서는 가로축이나 세로축 어느 한 점을 콕 짚어서 그 지점에서의 변화 형태를 보는 것이 매우 중요해요.

먼저 이산화탄소의 '상평형 그래프'를 보여드릴게요. 이산화탄소는 대략 이러한 상평형을 가지고 있어요.

우리는 평소에 약 1기압에 가까운 환경 속에서 살고 있기 때문에 1기압일 때를 기준으로 분석해볼게요.

가로선을 쭉 그어보면 고체에서 기체로 바로 넘어가는 것을 알 수 있죠?

그래서 우리 일상생활에서는 드라이아이스가 바로 기체가 되는, 즉 승화를 하는 거예요.

만약 압력을 이만큼 높이게 되면 우리는 이산화탄소 액체도 볼 수 있다는 뜻이겠죠?

자, 이번에는 물의 '상평형 그래프'를 들여다볼께요.

그런데 물은 좀 독특한 구조를 띠고 있습니다.

상평형도의 Y 중에서, 왼쪽의 Y선이 뒤쪽으로 기울어져 있는 모습을 볼 수 있는데요.

이 말은 물은 압력을 가하면 가할수록 어는 점이 점점 떨어진다는 것을 의미합니다.

같은 영하 0도라도요. 압력이 높으면 액체로 존재할 수 있다는 의미가 되는 것이죠.

왜 그런 걸까요?

비밀은 추측하건대 바로 물 분자가 가지고 있는 특별한 결합, '수소결합' 때문일 것입니다.

이 수소결합은 물 분자를 이루고 있는 산소가 전자를 더 자기 쪽으로 끌어당기려고 하는 성질, 즉 전기 음성도 때문에 발생하는 결합이에요.

즉, 산소가 수소랑 붙어있을 때 산소 쪽으로 전자를 끌어당겨서 부분적으로 –를 띄게 만들고 수소는 부분적으로 +를 띄게 만드는 것이죠.

이렇게 분자 자체가 + 그리고 -로 나뉘는 이러한 현상을 편극이라고 불러요. 한쪽으로 극이 치우쳐졌다는 의미가 되죠.

그런데 수소결합은 말이 결합이지 완전히 딱 붙어서 결착되는 형태의 결합은 아니에요. 원거리에 떨어져 있는 편극된 분자들이 서로를 전기적으로 잡아당기는 힘이기 때문에 외부로부터 강한 압력이 가해지면 이 수소결합이 끊어질 수 있어요.

즉, 얼음 위에서 스케이트를 탈 수 있는 것은 얼음에 압력을 가했을 때 얼음의 결정이 무너지면서 수소 결합이 끊어졌기 때문으로 추측하고 있습니다.

오늘은 겨울과 관련된 재미있는 과학에 대해서 소개해 드렸는데요, 재미있으셨나요?

추운 겨울! 감기 조심하시고요~ 궁금한 S는 여기서 이만 인사드릴게요.

과학에 대한 궁금증이 있다면 언제든 유튜브에 사이언스 투데이를 검색해주세요. 이상 궁금한 S였습니다.