컵에 차가운 물을 따라 놓았을 때 컵에 물방울이 생기는 이유

[05년1학기초급초등1반이규현]

컵에 차가운 물을 따라 놓고 잠시 후에 보면 컵 주위에 물방울이 맺혀있는 것을 볼 수 있다. 이상하게도 차가운 물 때문에 컵이 땀을 흘리는 것만 같다.

공기 속에는 기체 상태의 수증기를 포함하고 있으며, 산소나 질소처럼 우리의 눈으로 직접 볼 수는 없다. 실제 공기에는 보통 40～50% 정도의 수증기를 포함하고 있으며 이것을 습도라고 하다.

공기 속에 들어있는 수증기의 양은 무한정 포함되는 것이 아니라 온도에 따라 한계가 있다. 주어진 온도에서 수증기가 들어갈 수 있는 최대의 양을 포화농도라고 하고, 이 이상의 수증기가 공기 속에 들어갈 수 없다. 공기의 습도는 포화농도의 백분율(%)로 표현한다.

포화농도는 온도가 10℃ 오를 때 마다 대략 두 배 정도 커진다. 지금의 습도가 50%라면, 온도가 10℃ 내려가면 포화농도가 두 배 작아지므로 습도는 100% 되어, 공기 중에 더 이상의 수증기가 들어갈 수 없는 포화상태가 된다.

온도가 내려가서 포화농도가 더 작아지면 공기 속의 수증기가 포화농도보다 더 많이 있으므로 남는 수증기는 이슬 또는 안개 등이 된다. 이렇게 공기 중의 수증기가 물방울로 변하는 온도를 이슬점이라고 한다.

컵에 차가운 물을 넣지 않는다면, 컵의 온도는 주변의 온도와 같을 것이다. 그러나 찬물을 넣으면 컵의 온도는 급격히 낮아지게 된다. 공기 속에 포함된 수증기들이 컵에 부딪치면 주변의 공기보다 훨씬 낮은 컵의 온도 때문에 포화농도가 급격하게 작아지고 이슬점도 낮아지게 된다. 결국 포화농도보다 많이 있는 수증기들이 컵의 표면에 달라붙어 물방울이 된다.

이러한 현상은 찬물이 들어있는 컵 이외에도 나타난다. 안경을 쓰고 있는 사람이 겨울철에 흔히 경험하는 일이지만 차가운 밖에 있다가 버스를 탄다거나, 집안으로 들어가는 경우 안경에 김이 서리게 된다.

안경을 자세히 보면 매우 작은 물방울들이 안경을 덮고 있는 것을 알 수 있다. 이것도 따뜻한 공기의 수증기가 차가운 안경과 접촉하면서 이슬점이 낮아져 물방울이 맺히는 것이다.

또 다른 예가 있다. 여름철에는 입김을 볼 수 없지만 겨울에는 숨을 쉴 때마다 하얀 입김을 볼 수 있다. 들어 마신 공기는 사람의 몸에서 체온과 같은 온도로 덮어져 다시 몸 밖으로 나오게 된다. 내보내는 공기 속에 있는 수증기가 주변의 차가운 온도 때문에 밖으로 나오자마자 아주 작은 물방울로 변한 것이다.

수증기는 기체로 보이지 않지만, 수증기가 물방울로 변하게 되면 사람의 눈으로 잘 보이게 된다. 입김은 공기 중의 수증기가 물방울로 변하여 볼 수 있는 것이다