끓지 않는 물, 얼지 않는 물

물에 관한 상식을
열역학으로 다시 들여다보다

물은 정말 100℃에서 끓고, 0℃에서 얼까? 우리는 물질에 고체·액체·기체라는 세 가지 상태가 있다고 배운다. 물은 0℃에서 얼어 얼음이 되고, 100℃에서 끓어 수증기가 되는 것도 익숙한 사실이다. 하지만 이처럼 깔끔한 설명만으로는 물질의 세계를 온전히 이해하기 어렵다.
《끓지 않는 물, 얼지 않는 물》은 우리에게 가장 익숙한 물을 출발점으로 삼아 그동안 당연하게 여겼던 '물질의 상태'라는 개념을 다시 살펴본다. 그 여정을 이끄는 핵심은 물리학의 중요한 분야인 열역학이다.
물을 깊이 살펴보면, 물질은 고체·액체·기체라는 세 가지 범주를 넘어 다양하고 흥미로운 모습을 가지고 있다는 사실을 알게 된다. 물은 100℃가 되었다고 반드시 끓지 않으며, 0℃ 아래로 내려갔다고 꼭 얼어붙는 것도 아니다. 압력과 온도에 따라 액체와 기체가 사라지는 순간 초임계유체가 나타나고, 어는점 아래에서도 얼지 않고 존재하는 과냉각수도 있다.
'온도가 낮을 때와 높을 때 물질의 상태가 달라지는 이유는 무엇일까?' '액체가 끓는다는 것은 정확히 어떤 현상일까?' '액체와 기체를 구분하는 경계는 어디에서 사라질까?' '임계점 너머에서는 어떤 일이 일어날까?'
이런 질문을 따라가다 보면 물질의 상태는 단순히 온도에 따라 결정되는 것이 아니라, 에너지와 엔트로피, 온도와 압력의 상호작용 속에서 결정되는 것?임을 알게 된다. 고체·액체·기체라는 익숙한 분류 역시 복잡한 물질세계를 이해하기 위한 하나의 모델일 뿐이라는 점도 깨닫는다.

끓지 않는 물에서 얼지 않는 물까지,
과학자들의 논쟁을 따라가다

새로운 현상을 발견하는 것만큼 중요한 것은 그 현상을 설명할 이론과 방법을 만들어내는 일이다. 《끓지 않는 물, 얼지 않는 물》은 초임계유체와 과냉각수를 둘러싼 과학자들의 연구와 논쟁을 따라가며 과학이 실제로 어떻게 발전하는지를 알려준다.
초임계유체를 둘러싼 연구에서 시작된 '끓음'에 대한 탐구가 극저온의 과냉각수와 물의 이상한 성질을 이해하는 데까지 이어졌는데, 이후 과냉각수의 성질을 설명하면서 과학자들 사이에 치열한 논쟁이 벌어졌다. 과학자들은 시뮬레이션과 실험 방법을 발전시키며 보이지 않는 영역까지 다가갔다. 과냉각수를 컴퓨터 시뮬레이션한 두 과학자가 10년에 걸쳐 서로 다른 결과를 놓고 논쟁하다가, 각자 사용한 프로그램을 서로 교환해 직접 검증하기에 이른 이야기는 과학 연구의 치열함을 생생하게 보여준다.
과학이란 기존의 설명으로 이해되지 않는 현상을 발견하고 새로운 질문을 만들며, 가설과 이론과 실험을 끊임없이 검증하는 과정이다. 《끓지 않는 물, 얼지 않는 물》은 바로 그 과정을 '물'과 '열'에 관해 공부하며 배워간다.

세상을 더 자세히 보는 것,
그리고 무엇에 초점을 맞출지 아는 것

이 책에서 물질의 상태를 이해하는 일은 곧 세상을 바라보는 방식에 대한 이야기로 확장된다. 처음에는 고체·액체·기체 세 가지 상태로만 보이던 물질이, 초임계 상태와 다양한 얼음, 과냉각수와 액체의 상분리 가능성까지 품고 있다는 사실을 알아간다. 과학 공부란 이처럼 이전에는 하나로 뭉뚱그려 보던 것을 더 세밀하게 구별하고, 기존의 범주만으로 설명할 수 없던 현상에 새로운 개념과 이름을 부여하는 과정이다.
하지만 과학자가 언제나 가장 높은 해상도로 세상을 바라보는 것은 아니다. 냄비의 물을 끓일 때 초임계유체를 생각할 필요는 없다. 과학적 사고란 모든 것을 자세히 보는 능력이 아니라 무엇을 구별하고, 무엇을 단순화하며, 언제 초점을 옮겨야 하는지를 판단하는 능력?이기도 하다.
《끓지 않는 물, 얼지 않는 물》은 물의 '끓음'과 '얼음'을 이해하는 데에서 시작해 열역학과 물질의 상태, 과학적 모델과 논쟁의 세계로 이끈다. 그리고 익숙한 현상을 한 단계 더 깊이 들여다보는 순간, 당연한 상식이라고 생각했던 세계가 얼마나 다양하고 복잡한지를 깨닫게 만든다.

들어가며 삶의 해상도를 높이기 위한 과학 공부

1장 물질의 상태, 분자의 성질
1 열을 일하게 하다, 증기기관
2 열과 일은 하나다, 에너지
3 열과 일은 다르다, 엔트로피
4 열의 정체, 엔트로피의 정체
5 물질의 상태: 에너지는 낮게, 엔트로피는 높게

2장 끓지 않는 물
1 제4의 상태
2 물은 정말 100°C에서 끓을까
3 끓음은 급격하다
4 수면에서의 대화
5 임계점을 향하여
6 가스와 증기
7 자석, 물, 기름과 보편성
8 기포 없이 물 끓이기
9 임계점의 느낌

3장 얼지 않는 물
1 가장 이상한 물질, 물
2 질서가 지배하는 상태, 고체
3 물은 정말 0°C에서 얼까
4 순수한 물은 얼지 않는다
5 18번째 얼음, 19번째 얼음
6 무거운 물, 가벼운 물
7 더 차갑게, 더 빽빽하게
8 시뮬레이션 전쟁
9 무인지대를 뚫고 나아가다

나가며 초점 옮기기
참고문헌

하민영 경희대학교 화학공학과 교수. 서울대학교 화학생물공학부를 졸업하고, 동 대학원에서 초임계유체 열역학 연구로 박사학위를 받았다. 대학 시절 모든 전공과목 중 열역학을 가장 어려워했지만 우여곡절을 거쳐 열역학 전공 연구실에 들어갔고, 학과 네 곳에서 열리는 열역학 강의를 섭렵한 끝에 열역학 애호가로 거듭났다. 학위 취득 이후에는 삼성전자 종합기술원에서 반도체 공정 소재를 개발했고, 지금은 대학에서 교육과 연구에 매진하고 있다.
새로운 주제를 공부하고 다른 분야 전문가와 교류하며 기회를 만들어내는 것을 즐긴다. '알파고 쇼크'를 계기로 화학공학 연구에 인공지능을 활용하기 위해 고민하던 와중, 계산과학과 인공지능을 초임계유체 열역학에 적용한 경험이 《끓지 않는 물, 얼지 않는 물》의 씨앗이 되었다.
최근에는 과학자·공학자와 고미술 보존 전문가가 모여 고서화의 보존·복원 기술을 개발하는 '헤리티지 사이언스' 프로젝트에 참여하고 있다.