끓는점
沸騰點 / Boiling Point
1. 개요
다른 말로는 비등점(沸騰點). 끓는점은 물체의 증기 압력이 외부 압력과 같아지는 온도로, 액체가 기화되는 온도이다.
액체는 끓는점 이하의 온도에서도 기화할 수 있는데, 이를 증발이라고 한다. 증발은 오로지 액체의 표면에서만 일어나는 데 비해 끓음은 모든 액체에서 일어난다.[1]
토머스 쿤의 이론을 반박하는 데 사용되었다. 끓는점이 처음 정의될 때 끓는점은 끓는 물 표면에 있는 증기의 온도로 정의되었는데, 끓음 현상에 대한 이론은 그 후에도 수시로 바뀌었으나 이 정의와 그 수치는 변하지 않았고 오히려 논의의 중심이 되었다. 장하석은 이를 통해서 이와 같은 중간 단계의 물리 법칙은 패러다임의 변화에도 별 영향을 받지 않는다고 하였다.[2]
2. 끓는점과 압력
끓는점은 외부 압력에 관계되는 값이기에, 둘은 떼어둘 수 없는 관계이다. 정의에서 보듯이 끓는점은 증기압력이 외부 압력과 같아지는 온도로, 외부 압력이 다르다면 끓는점은 달라질 수 있다. 실제로 1기압에서 물의 끓는점은 100℃이지만, 100기압에서는 300℃가량이다. 반대로 0.1기압에서는 50℃가량이다. 이는 증기 압력이 온도에 비례해서 커지기 때문이다. 사실 압력 이외에도 물의 순수함과 다른 물질과의 접촉 등을 조절하면 끓는점을 200℃ 이상으로 올릴 수 있다. 신기한 것은 끓는점을 100℃ 이상으로 올려도, 끓기 시작한 물은 언제나 100℃를 유지한다는 점이다.[3]
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100℃에서 물의 증기압이 1기압(= 760 torr)이 되는 것을 확인할 수 있다.
따라서 끓는점을 표시할 때는 외부 압력 또한 같이 표시해야 하나, 보통 사람들이 사는 공간은 거의 1기압이기 때문에 대부분은 1기압에서의 끓는점만을 표시한다. 이때 1기압은 지구 해수면에서의 압력, 101.325 kPa이다.
다만 끓는점이 압력에 따라 무한히 증가하지는 않는다. 압력이 너무 강해지다 보면 액체와 기체와의 차이가 거의 사라지기 시작하는데, 임계점(critical point)을 넘어서면 액체와 기체의 중간 상태인 초임계유체가 된다. 액체와 기체 사이의 경계가 없다 보니 그 사이를 정의하는 끓는점이라는 의미가 사라지게 되는 것. 예시로 물의 임계점은 218.3기압, 647.3K(섭씨 374.2℃)이다.
3. 끓는점과 순물질
물론 압력의 영향을 받긴 하지만 물질마다 끓는점이 다르므로 물리적 특성으로 사용할 수 있다. 특히 온도와 압력만 조절하면 되는 특성 때문에 여러 물질이 혼합된 경우 그것들을 분리하는 데 상당히 많이 쓰인다. 가장 대표적인 예시는 분별증류. 끓는점의 차이를 통해 여러 물질을 분리하는 방법으로 이 방법이 없으면 액체 산소는커녕 자동차도 굴리지 못했고, 증류주 같은 것도 없었을 것이다.
4. 혼합물의 끓는점
순물질의 경우 끓는점은 딱 한 점의 온도로 정할 수 있지만, 순물질이 아닌 혼합물과 용액의 경우 끓는점은 변화한다. 휘발성이 있는 물질끼리 섞일 경우 끓는점은 점점 증가하며(물과 알코올의 혼합물과 같은 경우), 물과 같은 휘발성 용매에 소금과 같은 비휘발성 용질을 섞으면 끓는점이 용질의 양에 비례해서 올라간다. 이를 끓는점 오름이라고 하며, 물의 경우 1 몰랄 농도당 0.512℃만큼 끓는점이 상승한다.
5. 여담
기압과 농도에 따른 끓는점 변화로 "99˚C의 물을 끓게 하는 것은 마지막 1˚C"를 반박할 수 있다.
용질의 농도가 낮은 물(타고난 재능을 가진 사람)은 온도를 적게 올려도 끓지만(큰 노력 없이도 잘할 수 있지만), 반대로 용질의 농도가 높은 물(재능이 없는 사람)은 끓이기 위해 온도를 더더욱 올려야 한다(잘하기 위해 남들보다 많이 노력해야 한다).
주변환경의 경우, 저기압에서의 물(좋은 환경속에서 태어난 사람)은 끓는점까지 도달하는 시간이 짧지만(자기개발을 위한 시간이 적게 들지만), 고기압에서의 물(나쁜 환경속에서 태어난 사람)은 끓는점까지 도달하는 시간이 길어진다(자기개발을 위한 시간이 더더욱 많이 들어간다).
높이가 높아질수록 물의 끓는점은 낮아진다. 서울특별시 한복판에서 100도에 끓는다고 치면 설악산, 한라산, 백두산, 후지산 같은 곳에서는 100도가 안 됐는데도 끓으며, 에베레스트 산에서는 70도대에 끓는다.
비행기 순항고도의 기압은 8천피트(약 2400미터)가 유지되므로 끓는점은 91.6도씨가 된다.
사족으로 라면을 끓일 때 '스프를 먼저 넣어야 끓는점이 올라가기 때문에 면발이 쫄깃해진다' 라고 말하는 사람이 있는데, 어떻게 보면 팩트다. 한 0.03도 정도 차이가 난다.
[1] 가장 큰 차이는 거품이 나는가. 증발하는 액체는 절대 거품이 발생하지 않지만, 끓는 액체는 조절을 잘 하지 않는 이상 필연적으로 거품이 난다.[2] 장하석, '온도계의 철학', 오철우 역, 동아시아, 2013, p. 109-112[3] Marcet(1842),'Recherches sur certaines circonstances qui influent sur la température du point d'ébullition des liquides',bibliothéque universelle,38,p388-411