얼음이 형성되는 조건을 대해서

얼음

 

얼음이 만들어지는 조건을 알아보자.

일반적으로 얼음을 얼리는 거 말고 물리적인 충격에 의해 얼음 형성이 촉진될 수 있다. 어떤 한계를 넘으면 얼음이 곧바로 만들어지는 두 가지를 알아보자. 이런 방법으로 얼음이 만들어지다니 놀라운 일인 거 같다. 냉장고에 물이 들어찬 밀봉한 플라스크를 집어넣자. 과냉각되었지만 아직 물이 얼지는 않았을 때 이 플라스크를 꺼낸 다음 격렬하게 흔들거나 테이블에 쾅 내리치면 갑자기 많은 양의 얼음이 만들어진다. 이런 물리적 충격으로 물에 있던 양성자가 빠져나올 수 있다. 양성자는 주변에 있는 배타 구역을 침범하고 얼음이 형성되기 시작한다. 플라스크를 흔들면 배타 구역과 양성자로 구성된 기포가 생길 수 있다. 얼음이 생기기에 충분한 두 가지 요건이 갖추어지는 것이다. 물리적 충격 때문에 생겨난 기포가 얼음 형성의 기폭제가 되는 것이다.

또 다른 방법은 얼기 직전의 플라스크를 하나 더 꺼내서 뚜껑을 열고 얼기 식전의 물을 약 20센티미터 높이에서 찬물이 들어 있는 비커에 들이붓자. 내려가는 물줄기가 비커의 물을 때리면 즉각 얼음이 형성된다. 두 가지 모두 물리적인 충격이 시발점이다. 양성자가 배타 구역에 들어가면서 얼음이 만들어지는 것이다.

 

혹시 상온에서 얼음을 관찰한 적이 있는가? 라고 관착한 적이 있다고 말한 사람은 없을 것이다. 그러나 양성자 침투가 얼음 형성에 필수적이라는 상온에서 얼음이 얼지 못할 이유도 없다. 양성자와 배타 구역이 비정상적으로 풍부하고 적절한 위치에 접근할 수 있다면 상온에서 얼음이 만들어지는 조건이 될 수 있다. 

물 다리에 대한 예를 찾아보았다. 이 물갈이에 뚜렷한 속성 중 하나는 강직성이다. 물 다리 수 센티미터 벌어지더라도 처지는 법이 없다. 사진은 후에 따로 첨부하고 간단하게 이 물 다리에 관해 설명하자면, 두 비커 사이에 형성되는 다리이다. 다리는 거의 실린더 모양이고 고리와 중심부로 구성되어 있다. 광학 이미지로는 구분이 불가하고, 이 다리의 길이는 거의 3센티미터에 이른다. 이 다리의 단면은 두 종류의 영역으로 구성되어 있다. (고리 모양 테두리, 중심부) 중심 영역은 양성자가 결합한 물이 양으로 호전된 비커에서 음으로 호전된 비커로 흐르는 모양새다. 이 흐름에서 강한 적외선 신호가 나온다. 고리 모양의 구역은 반대 방향으로 좀 더 천천히 움직인다. 이 고리 모양 구역은 여러 가지 측면에서 배타 구역과 비슷한 속성을 갖는다. 입자를 배척하고 음의 한전을 띤다. 또 질서를 의미하는 복굴절 갖는다.

 

양성자를 풍부하게 공급받는 고리 모양 영역의 배타 구역이 얼음을 형성할 기회를 포착하는 것처럼 보이고, 두 영역 중 어느 것이 빠르게 움직이느냐에 따라 얼음은 고리 모양 중심 혹은 양쪽 모두에서 형성될 수 있다. 일시적으로 얼음이 만들어지는 것이다. 그 얼음은 다리 전체를 통해 분포할 것이고 파동 치면서 다리의 강직도를 유지할 수 있다.

상온에서는 얼음은 물 다리가 아닌 다른 조건에서도 만들어질 수 있다. 물로 채워진 좁은 공간에 전기장이 걸리면 얼음이 만들어지기도 한다. 주어진 전기장은 충분한 양전하를 제공하고 상온에서 배타 구역을 얼릴 수 있다. 충분한 양의 배타 구역이 있고 주변에 이용할 수 있는 양성자가 많다면 얼음은 언제라도 만들어질 수 있다.

이런 양성자들은 음 펨바가 관찰한 비정상적인 현상도 말할 수 있다. 따뜻한 물은 얼음 형성에 필요한 두 가지 요소를 갖고 있다. 배타 구역으로 둘러싸인 소체와 결부된 양성자이다. 이 두 요소가 주어지면 아이스크림 주말과 따뜻한 물의 혼합물을 얼리는 데는 얼마 걸리지 않는다.

 

정리하자면 물이 얼음으로 전이되는 과정에는 배타 구역 중간치가 필요하다. 물을 차갑게 하면 배타 구역이 만들어진다. 히드로늄 이온이 경계면에 몰려든다. 히드로늄 이온이 모여들어 특정 값을 넘어서면 양성자가 빠져나와 음으로 호전된 배타 구역을 침범한다. 이 양성자들은 배타 구역 평면에 정렬되면서 얼음으로 전이되기 시작한다. 이러한 과정들이 지속되어 얼음이 만들어진다. 배타 구역을 형성하여 결정 구조를 얻으려면 에너지를 투입해야 한다. 얼음의 결정 구조를 만들기 위해서는 보통 온도를 낮추면 된다. 이때 에너지가 방출된다. 배타 구역으로 양성자가 쇄도하면 전하의 분리에 필요한 전위차 에너지를 제공하고 이 에너지는 시스템 내부에 이미 저장되어 있다. 이 두 상황에서 질서를 만들기 위해 에너지가 필요해진다. 즉 물의 결정화에 필요한 에너지 학이 일관되게 적용되는 것이다.

 

전문 서적을 참고하여 작성하였습니다.