● 물질의 상태 변화에 따른 부피 및 열에너지의 변화

▷ 수증기가 부리는 마술 - 풍선이 병 안으로 빨려 들어간다!

요구르트 병 속에 끓는 물을 채운 후 바로 쏟아 버리고 나서 재빨리 풍선을 씌운 다음, 요구르트 병을 얼음물이 들어 있는 용기 속에 넣으면 어떻게 될까? 풍선이 부풀어오를까, 아니면 풍선이 안으로 빨려 들어갈까? 실제로 요구르트 병에 풍선을 씌운 다음 얼음물에 담그면, 풍선이 병 안쪽으로 빨려 들어가는 신기한 일이 벌어진다. 수증기가 냉각되어 물로 바뀌면, 분자들의 운동이 기체 상태보다 둔해지고 분자 사이에 당겨지는 힘이 강해진다. 따라서, 분자들의 거리가 가까워져서 부피는 줄어들게 된다. 결국 뜨거운 수증기가 들어 있는 요구르트 병을 얼음물 속에 담그면, 요구르트 병 속에 있던 수증기가 액화되어 부피가 크게 줄어들면서 풍선이 안으로 빨려 들어가는 것이다.

▷ 상태 변화에 따른 열의 이용 - 냉장고의 원리

냉장고는 냉매가 기화할 때 주변의 열을 빼앗아 온도를 낮추는 성질을 이용한 장치이다. 즉, 전기 모터로 압축기를 작동시켜 기체 상태의 냉매를 압축하면 열을 방출하면서 액화된다. 냉장고에서 웅웅거리는 소리가 나는데, 이것은 압축기에서 기체 상태의 냉매를 압축시키기 위하여 모터가 돌아가는 소리이다. 이렇게 액체 상태로 된 냉매는 증발기로 보내지고, 이곳에서 기화되면서 주위의 열을 빼앗아 냉장실의 온도를 낮추게 되는 것이다. 기체로 된 냉매는 다시 압축기로 보내져서 액화되는데, 이러한 과정이 계속 되풀이되면서 냉장고는 낮은 온도를 유지하게 된다.

● 싸고 싼 사향도 냄새 난다

"싸고 싼 사향도 냄새 난다."라는 말은 아무리 숨기려고 애써도 숨길 수 없는 경우에 사용하는 우리나라 속담이다. 사향이란 사향노루 수컷의 배꼽 근처에 있는 향주머니 속에 들어 있는 분비물을 말린 것이다. 우리 가곡 비목에는 "궁노루 산울림 달빛 타고 …"와 같은 가사가 있다. 여기서 궁노루는 사향노루의 다른 말인데, 우리나라는 사향노루를 천연 기념물 제216호로 지정하여 보호하고 있다. 사향노루는 향주머니에 들어 있는 사향을 조금씩 주머니 밖으로 분비하여 암컷을 유인하는 데 사용한다. 사향은 냄새가 아주 강하여 멀리 떨어져 있어도 냄새를 맡을 수 있으며, 사향을 다 꺼낸 향주머니에서도 냄새가 난다.

이러한 까닭에 사향은 덕이 높고 훌륭한 재주를 가진 사람에 비유하는 말로 사용되기도 하였다. 여러 겹으로 싸서 소중히 보관한 사향이 공기 중으로 확산되어 그 향기롱누 냄새가 저절로 퍼져 나가 듯이, 덕이 높고 훌륭한 재주를 가진 사람은 자신이 원하지 않더라도 저절로 세상에 알려지게 된다.

사향은 그대로 냄새를 맡으면 코를 찌르는 지독한 냄새가 나지만 묽히면 좋은 냄새가 난다. 사향의 약 2%정도가 향기의 성분인데, 이것은 무스콘(muscone)이라는 물질로서 향수를 만드는 재료로 사용되어 왔다. 또한 예로부터 한방에서 진귀한 생약 재료로도 사용되어 왔다.

그러나 국제야생동물보호협약에 따라 사향노루의 보호가 국제적으로 논의되고 있어 천연의 사향을 사용하는 일이 어려워질 전망이다. 따라서, 사향을 대신할 수 있는 물질을 개발해야 하는데, 이것도 과학이 해야 할 일 중의 하나이다.

● 무중력 상태

우리는 지구의 중력을 받으며 살고 있기 떄문에 중력에 의하여 나타나는 현상에 익숙해져 있따. 즉, 높은 곳의 물이 아래로 흐르고, 위로 던진 물체가 곧 땅으로 떨어지는 것을 보고도 별다른 느낌이 없이 생활한다. 그러나 지구 둘레를 돌고 있는 인공 위성 속에서는 지구의 중력을 느낄 수 없는 상태가 나타나는데, 이것을 무중력 상태라고 한다.

엘리베이터를 타고 내려가기 시작할 때 위로 뜨는 느낌을 경험한 적이 있을 것이다. 그런데 만약 엘리베이터의 줄이 끊어져서 떨어진다면 어떻게 될까?

이 순간에는 무게를 느낄 수 없게 된다. 그 이유는 엘리베이터가 떨어지는 동안 엘리베이터 속의 물체도 엘리베이터와 함께 떨어지므로 물체의 중력이 없는 것으로 측정되기 때문이다.

이와 같이, 무중력 상태에서는 물체의 무게가 나타나지 않기 때문에 상상하기 어려운 일들이 일어난다. 사람이 떠 있는 것은 물론이고, 연필, 책 등 모든 것이 공중에 둥둥 떠 있다.

간을 맞추려고 음식에 소금이나 후추를 치는 일도 어렵고, 물을 마시는 것도 어렵다, 왜냐 하면, 소금이나 후추는 자칫하면 공중으로 흩어져 버리고, 컵의 물은 기울여도 쏟아지지 않기 때문이다.

인공 위성 속에서는 무중력 상태를 이용하여 지구상에서 만들 수 없는 순수한 결정을 만들 수 있고, 새로운 약품 실험이나 생물의 생장 실험 등을 할 수 있다. 따라서, 우주 실험실을 가지고 있는 나라는 지구에서 만든 물건보다 더 좋은 품질의 물건을 만들어 낼 수 있다. 우리 나라도 이러한 분야에 대한 많은 연구와 노력을 기울여야겠다.

● 엘니뇨, 신의 아들이 내리는 바다의 재앙

동태평양 지역의 페루와 에콰도르 근해에는 한류인 페루 해류가 흘러 수온이 낮다. 그런데 몇 년에 한 번씩 북쪽으로부터 난류가 흘러와 바닷물의 온도가 평소보다 높아진다. 이와 같이, 동태평양의 순온이 비정상적으로 높아지는 현상을 스페인 어로 '신의 아들'이라는 뜻의 엘니뇨라고 한다.

엘니뇨 현상은 대개 크리스마스 전후로 발생한다. 이 때에는 난류성 고기가 많이 잡히고 때로는 비가 많이 와서 바나나, 코코아 들의 수확이 많아지는 등, 보통 때는 있을 수 없는 일들이 자주 일어났다. 그리하여 신에게 감사하는 뜻에서 엘니뇨라는 이름이 붙여졌다고 한다.

그러나 엘니뇨 현상이 가장 심했던 1982년부터 2년 동안은 바닷물의 온도가 평소보다 5~6℃나 상승하였다. 그 결과, 바닷물이 많이 증발하여 페루와 에콰도르에는 평소보다 40배에 가까운 폭우가 내렸고, 적도 부근의 서태평양 지역인 필리핀, 인도네시아, 오스트레일리아 등은 극심한 가뭄과 사눕ㄹ에 시달렸다. 또, 페루 연안에는 평소 흐르던 해류가 사라짐에 따라 먹이 사슬이 파괴되어 물고기와 새들이 떼죽음을 당하는 등 큰 피해가 발생하였다.

엘니뇨 현상이 일어나는 이유는 아직까지 확실히 밝혀지지는 않았지만, 적도 부근의 따뜻한 바닷물이 평소와 달리 동쪽으로 흐르기 때문이라고 추정하고 있다. 즉, 바닷물의 온도 분포가 달라지면서 대기의 순환에 변화를 일으켜 세계적으로 기상 이변이 일어난다는 것이다.

● 불이 없어도 음식을 데운다

전자 레인지에서 사용하는 전파의 파장은 약 10cm 정도이다. 이 파장의 전파는 대부분의 음식에 들어 있는 물, 기름, 설탕 등에는 매우 잘 흡수되지만, 유리, 도자기, 종이와 일부 플라스틱 물체에는 그렇지 못하다. 이러한 성질을 이용하여 전자 레인지는 이 전파를 흡수하지 못하는 유리 그릇이나 도자기 그릇에 담긴 음식물에 전파를 쬐어 요리할 수 있도록 만든 것이다.

전자 레인지에 사용되는 전파는 음식물의 종류에 따라 차이가 있으나, 음식물 속으로 2~3cm까지 침투해 들어갈 정도로 강력하다. 음식물의 온도 상승은 대부분이 두께에서 일어나며, 이보다 안쪽은 전도에 의해 가열된다. 따라서, 음식물의 크기를 2~3cm 정도의 크기로 잘라 두면 빨리 요리가 된다.

전자 레인지의 내부를 보면 표면이 금속으로 되어 있는데, 이것은 전파가 잘 반사되도록 하기 위한 것이다. 전자 레인지 내부의 금속 표면에서 반사된 전파는 음식물로 다시 보내어져 요리를 효과적으로 할 수 있다. 그런데 금속으로 된 그릇에 음식을 담아 전자레인지 안에 넣으면, 그릇 표면과 전자 레인지 내부의 금속 표면에서 전파가 서로 반사하여 불꽃 방전이 일어나기 쉬우므로 매우 위험하다. 그러므로 금속제 그릇은 전자 레인지에는 사용하지 않도록 한다.

● 팝 팝 팝콘!

길거리나 영화관 앞의 팝콘 기계를 보면 조그만 옥수수 알이 팍팍 소리를 내면서 튀겨지고, 크게 부풀어올라 맛있는 팝콘이 된다. 도대체, 옥수수 알에게 어떤 일이 일너난 것일까?

옥수수 알은 딱딱하고 질긴 겉껍질로 싸여 있는데 그 속에는 수분, 즉 물이 들어 있다. 그런데 옥수수 알을 가열하면 물이 수증기로 바뀐다. 이 때 옥수수 알 속의 수증기 압력이 매우 크기 때문에 옥수수 알의 겉껍질이 터지면서 부풀어오르는 것이다.

● 보이지 않는 세계 - 나노 세계

광학 현미경은 생물의 세포 수준까지, 전자 현미경은 세포의 분자 수준까지 볼 수 있다. 마이크로미터는 10(지수는 -6)m의 크기를, 나노미터는 10(지수는 -9)m의 크기를 나타낸다. 마이크로의 세계는 이미 과학자들이 정복한 현실의 세계이고, 나노 세계는 공상 과학의 산물이다. 첨단 과학 기술은 꿈을 현실로 바꾸는 경우가 많다. 바이러스를 잡아먹고 스스로 분해되는 감기약, 이산화탄소를 잡아먹는 극소형 대기 정화 장치, 환자의 몸 속에서 세균을 잡아먹는 초미니 잠수정 등이 그것이다. 이들은 모두 공상 영화에 나오는 이야기 같지만, 서서히 실현되고 있다.

● 만일 빙하가 모두 녹는다면?

지구의 기온이 점차 올라가고 있어 이를 걱정하는 과학자들이 많다. 과학자들은 지구의 평균 기온이 2030년까지 적어도 1℃ 이상 높아져 일부 빙하가 녹게 되고, 이로 인해 해수면이 20cm 정도 높아질 것으로 예측하고 있다. 이런 현상이 계속되면 어떤 일이 일어날까?

빙하는 전체 육지 표면의 약 10%를 차지하고 있다. 이들은 대부분이 남극 대륙, 그린란드, 아이슬란드 등에 분포하고 있으며, 이 밖에 알프스나 히말라야 등의 고산 지대에도 분포하고 있다.

그린란드와 남극 대륙에서 지진파 탐사와 시추에 의해 밝혀진 빙하의 두께는 약 3000~4000m에 달한다고 한다. 만일 이러한 대륙의 빙하가 모두 녹는다면, 해수면의 높이느 현재보다 65m 가량 높아져 지구상에 이쓴 대부분의 도시가 바닷물에 잠길 것으로 추정된다. 아울러 바닷물의 염분 변화와 생태계의 파괴로 인하여 인류는 큰 재앙을 맞게 될 것이다.

● 화성암은 보석 공장?

원시 시대부터 사람들은 장식용으로 여러 가지 광물을 지니고 다녔다. 이와 같이 장식용으로 쓰이는 광물을 보석 광물이라 하고, 일정한 모양으로 가공한 것을 보석이라고 한다. 일반적으로 금강석, 루비, 사파이어, 에메랄드 등 대부분의 보석은 단단하면서도 맑고 희귀하다는 공통점을 지닌다.

보석의 측정에 가장 많이 쓰이는 단위는 캐럿인데, 1캐럿은 0.2g에 해당한다. 이는 지중해 원산의 캐로브라는 콩의 질량과 거의 같으며, 캐럿이라는 용어도 여기에서 유래된 것이다. 따라서, 캐럿은 흔히 알고 있는 것처럼 크기의 단위가 아니므로 1캐럿의 에머랄드는 1캐럿의 루비보다 훨씬 크다.

보석의 원석은 변성암이나 퇴적암에서도 발견되지만, 대부분의 값비싼 보석은 화성암에서 발견된다. 지르콘, 사파이어 등은 반려암에 들어 있고, 토파즈는 화강암에 들어 있다. 또, 금강석은 킴벌라이트라는 화성암에서 산출된다.

이와 같이 보석이 화성암에 많이 들어 있느 까닭은 마그마에는 여러 성분이 녹아 있고 이 마그마가 지하 깊은 곳에서 다양한 온도와 압력을 받아 냉각되면서 여러 종류의 광물 결정이 만들어지기 때문이다.