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언제부터 얼음을 사용했을까?
 Science Column
신나는 과학 칼럼
작성자 류성철
작성일 2007/01/17 (수)
ㆍ추천: 0  ㆍ조회: 3186      
언제부터 얼음을 사용했을까?
류성철

무더운 여름, 사람들이 즐겨 찾는 아이스크림이나 탄산 음료, 얼음이 그 진가를 발휘하는 계절이지요. 그러나 인간이 자유롭게 얼음을 만들게 된 것은 의외로 최근의 일입니다. 지금은 어느 가정에서나 냉장고가 있어 언제라도 얼음을 만들 수 있게 됐지만, 불과 수십 년 전까지만 해도 대부분 얼음집에서 얼음을 사야 했지요.
 
언제부터 얼음을 사용했을까?

로마 시대 때의 황제는 한여름에 높은 산의 눈을 직접 가져오게 하여 그것을 썼고, 그 후 도시 가까운 곳에 지하에 구멍을 파고 단열 재료로 감싸서 겨울의 눈이나 얼음을 저장하여 사용했습니다. 그리고 중국에서는 원나라 때 궁궐에서 이미 시럽을 만들었습니다. 이 시럽은 설탕을 녹인 과즙을 섭씨 0도 이하로 온도를 내려 만든 것인데, 온도를 내리기 위해서 얼음(또는 눈)과 소금을 섞은 한제를 사용했습니다. 그러나 아직 얼음이라고 할 수는 없었습니다. 우리 나라는 신라 시대인 6세기 초에 이미 석빙고라고 하여 땅 속 깊이 갱을 파고 내벽을 돌로 쌓아올려 얼음이 녹는 것을 방지하는 특수한 저장 시설을 만들었고, 조선 시대에는 지금의 서울 용산구 서빙고동에 서빙고라는 얼음을 저장, 관리하는 관청이 있었으며, 이 얼음을 궁중과 관리들에게 공급하였습니다. 공급 시기는 음력 2월부터 10월까지이며, 관아에는 5월 15일부터 7월 15일까지, 관원에게는 음력 6월 한 달 동안 배급하였습니다.

사람이 직접 얼음을 만든 것을 언제부터일까?

1755년 스코틀랜드의 카렌이 실험실 안에서 큰 물통에 가라앉은 에테르의 기화에 의해서 물을 얼게 한 것이 최초

사람의 손에 의한 제빙은 1755년 스코틀랜드의 카렌이 실험실 안에서 큰 물통에 가라앉은 에테르의 기화에 의해서 물을 얼게 한 것이 최초라고 합니다. 과학과 기술의 진보와 함께 기체를 액화하는 시도가 열심히 이루어졌고, 섭씨 0도에서도 액화되지 않은 기체도 점점 액화할 수 있게 되었습니다. 저온에서 액화된 기체를 급격하게 팽창시키면, 기체는 팽창에 필요한 에너지를 어디에서든 공급받지 않으면 안됩니다. 액화된 기체가 팽창하면 주변의 열을 모두 빼앗아(기화열이리고 함) 기체 주위의 온도가 급격하게 낮아집니다. 이런 원리를 이용하여 냉동기가 만들어졌으며, 처음에는 이산화탄소나 암모니아를 냉매로 사용했고, 지금은 프레온 가스를 사용하고 있습니다. 그런데 프레온 가스가 오존층을 파괴하기 때문에 프레온 가스의 사용이 규제되고 있어 현재 대체 냉매를 개발, 사용하고 있습니다.

얼음의 수수께끼

냉동실에서 물을 얼려 얼음을 만들어보면 얼음의 바깥쪽은 투명한데 안쪽은 불투명합니다. 왜 그럴까요? 불순물이 없는 순수한 얼음은 얼음의 결정 구조가 규칙적으로 배열되어 있기 때문에 투명합니다. 그런데 얼음의 내부가 불투명한 것은 작은 공기방울이 얼음 결정을 균일하지 못하게 하기 때문입니다. 보통 이 공기방울의 지름은 백만 분의 일 미터보다 작습니다. 이 공기방울들은 물이 점점 차가워지고 얼기 시작하면서 남아있는 물의 양이 줄어들고, 물에 녹을 수 있는 공기의 양이 감소하기 때문에 물 속에 녹아있는 공기가 빠져 나와 생긴 것입니다. 얼음은 그릇의 벽에서부터 차가워져 바깥쪽에서 얼음이 얼기 시작해 점차 중앙 부분으로 얼기 때문에 중앙 부분에서 생기는 공기방울들은 얼음 밖으로 빠져 나오지 못하고 갇히게 됩니다. 그리고 공기방울들에 둘러싸인 얼음 결정들에서는 전반사 - 밀도가 큰 물질에서 밀도가 작은 물질로 빛이 진행할 때 일정한 각도 이상이 되면 빛이 통과하지 못하고 전부 반사되는 것을 '전반사' 라고 합니다. 얼음은 공기방울보다 밀도가 크기 때문에 전반사가 일어나 빛이 대부분 통과하지 못하므로 얼음이 투명하게 보이지 않게 되는 것입니다. - 가 일어나 빛이 통과하지 못하므로 불투명하게 보이게 됩니다.

아주 차가운 얼음 그릇엔 왜 손이 붙을까?

냉동실에서 아주 차갑게 얼린 얼음 그릇을 들고 있으면 그릇에 손가락이 붙어서 잘 떼어지지 않는 것을 경험한 적이 있을 것입니다. 왜 그럴까요? 우리 손가락에는 항상 약간의 물기가 있습니다. 차가운 얼음 그릇에 손가락을 갖다 대면 손가락의 물기가 어는데, 손가락이 가하는 압력으로 인해 얼어버린 물기가 얼음 그릇의 얼음에 붙어 버리는 것입니다. 꽁꽁 얼어버린 얼음 그릇에 혀를 갖다 대면 혓바닥이 벗겨질 수도 있습니다.

겨울에도 호수의 물고기 살아남을 수 있는 비밀

얼음은 물보다 밀도가 작습니다.

호수 전체가 모두 섭씨 4도의 물로 바뀌게 된 후에야 수면의 온도가 낮아져 섭씨 0도가 되고 얼음이 얼기 시작합니다.

지금은 여름이지만 겨울의 호수를 생각해봅시다. 날씨가 추워지면 강이나 호수에 물이 얼기 시작합니다. 바깥 기온이 낮기 때문에 얼음은 호수 위에서부터 아래쪽으로 업니다. 매우 당연한 이야기 같지만 여기엔 엄청난 자연의 비밀이 숨어있습니다.
대부분의 물질은 고체가 되면 밀도가 커집니다. 그런데 얼음은 물보다 밀도가 작습니다. 보통의 액체는 온도가 올라감에 따라 팽창하여 부피가 늘어나는데, 물은 어는점인 섭씨 0 도에서 섭씨 4도가 될 때까지는 계속 부피가 줄어들다가 섭씨 4 도가 지나면 비로소 부피가 팽창하기 시작하여 끓는점인 섭씨 100 도까지 팽창을 계속합니다. 물은 섭씨 4 도에서 가장 적은 부피를 가지므로 밀도는 최대가 됩니다. 일반적으로 고체 상태는 액체 상태보다 적은 공간을 차지하도록 배열을 이루지만, 고체인 얼음은 열린 구조로 되어 있어 육각형을 이루므로 액체인 물보다 넓은 공간을 차지하게 되고, 얼음의 밀도가 물보다 낮게 됩니다.
이러한 물의 성질이 자연에 미치는 영향은 매우 큽니다. 물이 보통의 액체처럼 온도가 낮을수록(고체 상태가 될수록) 밀도가 가장 높아진다면, 표면의 차가운 물은 무거워져 호수의 바닥으로 내려가서 바닥부터 얼게 될 것이고, 호수의 물고기들은 얼어 죽을 것입니다. 그러나 다행스럽게도 아무리 날씨가 추워도 섭씨 4 도가 지나지 않고서는 섭씨 0도가 될 수 없기 때문에 수면부터 온도가 내려가서 물의 온도가 섭씨 4도가 되면 그 물은 가장 무거워져서 호수의 바닥에 가라앉게 됩니다. 이렇게 되면 호수 바닥의 상대적 따뜻한 물이 표면으로 올라오고 위치가 바뀐 물이 수면에서 섭씨 4도로 온도가 내려가면 그 물은 다시 가라앉고, 이런 과정을 반복하면 결국 얼음이 얼기 전에 호수 전체가 모두 섭씨 4도의 물로 바뀌게 된 후에야 수면의 온도가 낮아져 섭씨 0도가 되고 얼음이 얼기 시작합니다. 그래서 호수의 물은 표면부터 얼면서 점차 수면 아래로 얼어 들어가게 됩니다.
매우 추운 겨울날 깊은 호수일수록 수면이 잘 얼지 않는 이유는 얼음이 얼기 전에 호수의 물이 모두 섭씨 4도인 물로 먼저 바뀌어야 합니다. 호수 바닥의 물은 한 겨울에도 섭씨 4도를 유지합니다. 매우 추운 지방의 호수 바닥 온도는 물의 비열이 높고 열전도가 낮기 때문에 단열이 잘 되어 일 년 내내 섭씨 4도를 유지하기도 합니다.
이름아이콘 돖마눌
2009-12-06 21:20
너무어려워요ㅠ
   
 
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