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[소년중앙] 고체? 액체? 기체? 불의 정체는 무엇일까

중앙일보 2021.03.22 09:00
‘과학, 실험, 으악 따분해!’라고 느낀 적 있나요. 이제 걱정하지 말아요. 소년중앙이 집에서 준비할 수 있는 물건으로 재미있는 실험을 시작합니다. 초등학교 과학 연구 교사 모임 아꿈선(www.아꿈선.com)과 함께하는 소꿈연구실이에요. 소꿈연구실에서 가벼운 실험을 하나씩 성공하다 보면 과학과 친해질 수 있을 거예요. 차근차근 따라 해 보고, 소년중앙 홈페이지(sojoong.joins.com)에 인증도 해봅시다.    
 

오늘의 실험

불에 타지 않는 풍선
 

준비물

고무풍선 2개, 초, 점화기
 

실험과정

1 고무풍선 하나에 물을 넣습니다.
2 다른 고무풍선에는 공기를 넣습니다.
3 점화기를 사용해 초에 불을 붙입니다.
4 공기가 든 고무풍선을 촛불에 천천히 가져다 댑니다.
5 물이 든 고무풍선을 촛불에 천천히 가져다 댑니다.
 
오늘의 개념. 불의 상태
일정 이상의 온도일 때 물질은 산소와 만나면 연소하면서 빛과 열을 방출합니다. 이것을 불이라고 부르죠. 불은 우리 생활 속에서 자주 볼 수 있어요. 맛있는 라면이나 삼겹살을 먹을 때도 불이 꼭 필요하죠. 그럼 불은 기체일까요? 고체일까요? 액체일까요? 먼저 액체나 고체는 일정한 부피를 가지고 있는데 불은 그렇지 않죠. 그럼 부피와 모양이 변할 수 있는 기체일까요? 기체의 경우 부피는 변하지만, 부피가 자기 마음대로 바뀌는 것은 아닙니다. 기체는 기체가 담긴 공간을 전부 채우게 되기 때문에 기체의 부피는 기체가 담긴 공간에 따라 정해져요. 하지만 불은 기체처럼 퍼지지는 않죠. 그럼 불은 무엇일까요? 이 답을 얻기 위해서는 먼저 불은 물질이 아니라는 것을 알아야 해요. 고체·기체·액체 혹은 새롭게 등장한 제4의 상태인 플라즈마는 물질의 상태를 구분 짓는 방법입니다. 하지만 불은 물질이 아니기 때문에 물질의 상태인 기체·액체 등에 속하지 않죠. 불은 물질이 아니라 에너지입니다. 물질과 적절한 온도 그리고 충분한 산소가 있다면 연소 반응이 일어나고, 이 과정에서 빛과 열, 에너지가 방출하죠. 이 에너지의 정체가 바로 불이랍니다.
 
불보다 뜨거운 물질이 있을까
가까이만 가도 뜨거워 화상을 입게 되는 불. 뜨거운 불보다 높은 온도를 지닌 물질이 있을까요? 이 질문에 답하기 전에 불의 온도를 먼저 알아야겠죠. 실험에 쓰인 촛불의 온도는 섭씨 1400°C 정도 됩니다. 라이터의 불은 그것보다 낮아 1000°C 정도 되고요. 우리가 바비큐 파티를 할 때 쓰는 장작불은 900~1000℃ 정도예요. 그럼 주변에서 볼 수 있는 가장 높은 온도의 불은 몇 도일까요? 바로 가스버너의 불로 1800℃ 정도 됩니다.
 
그럼 불이 있다면 우리 주변에 있는 모든 물질을 태울 수 있을까요. 아쉽지만 그러기는 힘들어요. 주변에서 쉽게 볼 수 있는 철만 해도 녹는점이 1500℃ 근처이고, 끓는점은 2600℃, 기체로 변하는 온도는 5700℃ 부근이죠. 1000°C 정도인 장작불로 아무리 달궈도 철은 녹지 않는 거죠. 그래서 풀무질 등을 통해 인위적으로 높은 온도의 불을 만드는 방법을 알아내기 전까지는 사람들이 철을 사용할 수 없었어요. 고온의 불을 만드는 가스버너의 경우 철을 녹일 수는 있지만, 이것도 많은 시간과 밀폐된 장소가 필요해서 실제로 철을 녹이기는 힘들어요.  
 
용광로 속에 있는 액체 상태의 철의 온도는 2000°C 정도로 여러분이 주변에서 볼 수 있는 불의 온도보다 훨씬 높아요. 즉, 불보다 뜨거운 물질도 있다는 거죠. 불의 온도는 다양해서 수천 도에 달하기도 해요. 이 경우 다른 조건만 맞으면 철이나 금과 같은 금속도 탈 수 있죠. 다만 이 경우 매우 많은 빛과 열 에너지를 뿜어내기에 위험할 수 있어 직접 관찰할 수는 없을 거예요.
 
공기가 없는 우주, 태양은 불에 타고 있을까
불이 나기 위해서는 필요한 것이 3가지 있습니다. 바로 충분한 양의 산소, 탈 물질 그리고 발화점 이상의 온도죠. 이 세 가지 중 하나라도 부족하면 불이 나지 않아요. 그런데 우주에는 셋 중에 공기가 없죠. 그럼 공기가 없는 우주에서는 불이 날까요? 공기가 없기 때문에 우주에서는 불이 날 수 없습니다. 하지만 태양은 수십억 년 동안 타오르면서 우리에게 빛과 열을 보내주고 있죠. 지금도 하늘을 보면 밝게 타오르는 태양을 볼 수 있습니다. 그럼 태양은 어떻게 빛과 열을 내뿜는 것일까요.
 
이걸 알려면 먼저 빛이 생기는 원리를 알아야 해요. 빛은 불에서만 생기는 것이 아니라 어떤 물질이 전자를 잃거나 얻으면서 생기는 전자의 위치에너지 때문에 발생해요. 우리 주변에서 볼 수 있는 불은 산소가 이 전자를 옮겨주는데 도움을 주지만, 산소가 없다고 해도 매우 높은 압력과 온도가 있다면 강제로 전자를 옮길 수 있죠. 태양은 대부분 수소·헬륨으로 구성된 매우 무거운 기체덩어리예요. 태양은 그 크기만큼 매우 강력한 중력을 가지고 있어 중심에서 높은 압력이 생기죠. 이 높은 압력으로 인해 원자핵이 헬륨으로 변하면서 주변에 있는 다른 전자를 하나 얻는데요. 우리 주변에서 잘 볼 수 없는 이 반응을 핵융합 반응이라고 합니다. 핵융합 반응이 일어나게 되면 어마어마한 열과 빛을 방출하게 되죠. 우리가 불타고 있다고 생각한 태양은 실제로 불타는 것이 아니라 이 핵융합 반응이 끊임 없이 일어나면서 빛과 열을 내뿜고 있는 것이랍니다.  
 
글=김선왕 아꿈선 영상팀장, 정리=한은정 기자 han.eunjeong@joongang.co.kr  
 
※ 외부 필진 원고는 본지 편집 방향과 일치하지 않을 수 있습니다.  
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