물은 섭씨 100도씨에서 끓는다.

일반적으로 잘 알고 있는 과학 상식입니다. 사실, 과학이라는 말을 붙이기 민망할 정도로 일상적인 상식으로 여겨지고 있는 사실입니다. 하지만, 과연 대부분의 사람들이 의심없이 믿고 있는, 그래서 상식이라고 생각하는 이 명제는 정말 조건없는 진실, 즉 당연한 사실일까요?

산에 올라가서 음식을 해 본 경험이 있으신 분들은 물의 끓는점은 압력에 따라 변할 수 있다는 사실을 알고 계실 것입니다. 물이 섭씨 100도씨에서 끓는 것은 우리가 일상 생활을 하는 1기압(1 atm) 상태라는 조건을 달고 있습니다. 고도가 높은 곳에 올라가면 일반적으로 기압은 낮아지고, 이렇게 낮은 기압에서 물은 100도씨보다 낮은 온도에서 끓게 됩니다. 산에 올라가서 밥을 하면 밥이 설익는 것이 바로 이 원리에 의한 것입니다. 밥이 맛있게 지어지기 위해서는 물이 끓는 것이 필요한 것이 아니라, 100도씨 이상의 온도가 필요한 것인데, 물이 일찍 끓어 버림으로써, 100도씨의 온도를 얻을 수 없기 때문입니다. 그렇다면, 압력을 1기압으로 고정한다는 조건이 있다면, 물은 100도씨에서 끓는다고 말할 수 있는 것일까요?

라면을 끓일 때 스프를 먼저 넣으면, 물의 끓는점이 높아져서 높은 온도에서 빠르게 라면을 익힐 수 있어 더 맛있다는 이야기를 들어 본 적이 있으신가요? 요리관련 프로에서 많은 연예인들이나 전문 요리사 분들이 라면을 맛있게 끓이는 방법이라며 알려주시는 것을 들어본 적이 있으실 것입니다. 빠르게 끓인 라면이 과연 맛이 있는가는 제가 말씀드릴 수 있는 것은 아니지만, 스프를 넣었을 때 높은 온도에서 물이 끓는다는 것은 사실이며, 이를 끓는점 오름현상(boiling point elevation)라고 합니다. 이는 용액 내의 불순물의 양이 증가할수록 용액의 끓는점이 높아지는 현상입니다. 같은 이유로 불순물이 증가하면 물의 어는점은 낮아지며 이를 녹는점 내림(melting point depression, 또는 어는점 내림)현상이라고 합니다. 즉, 라면물의 끓는 온도를 높이기 위해 스프를 먼저 넣는 것과 겨울에 도로위 빙판의 어는점을 낮추기 위해 소금을 뿌리는 것은 근본적으로는 같은 원리입니다. 정리하자면, 물의 끓는점은 기압 뿐만 아니라 얼마만큼의 불순물이 포함되어 있는가와도 관련이 있습니다. 그렇다면, 1기압의 상태에 있는 불순물이 전혀 없는 순수한 물이라면 과연 그 끓는점은 정확히 100도씨 일까요? 아니, 100도씨라고 말할 수 있을까요?

영국 캠브리지 대학의 석좌교수이신 장하석 교수의 ‘온도계의 철학’이라는 책을 보면, 런던 과학 박물관에 전시되어 있는 오래된 온도계에 대해서 설명하고 있습니다. 1750년 조지 아담스(George Adams, 1709-1772)에 의해 만들어진 이 온도계에는 화씨(Fahrenheit)를 비롯해 당시에 사용되던 네가지 온도 단위와 함께 몇가지 중요한 온도가 표시되어 있습니다. 이중 주목할 표기 사항은 특이하게 물의 끓는점이 두군데로 표기되어 있다는 것입니다. 온도계에는 화씨 204도(섭씨 95.6도)는 물이 끓기 시작하는 온도(begins to boyle), 화씨 212도(섭씨 100도)는 물이 역동적으로 끓어오르는 온도(water boyles vehemently)라고 표기되어 있습니다. 적어도 물이 끓는 것이 100도씨라는 하나의 온도에서 벌어지는 현상이 아니라는 것을 250여년 전 조지 아담스는 알고 있었던 것입니다. 

장하석 교수는 같은 책에서 대부분의 우리가 당연한 것으로 생각하고 있는 물의 끓는 점을 ‘이상하게’ 여기고 매우 흥미로운 실험을 한 과학자를 소개하고 있습니다. 스위스의 지질학자겸 기상학자인 장 앙드레 들룩(Jean-Andre De Luc, 1727-1817)은 물의 끓는 점과 함께 끓어오름이라는 현상 자체에 근본적인 의문을 갖었습니다. 물이 끓는다는 것은 단순히 말하자면 물 속에서 기포가 만들어지는 것인데, 들룩은 물 속에 녹아있는 눈에 보이지 않는 작은 공기방울들이 씨앗이 되어 기포가 형성되는 것이라고 생각했습니다. 이를 확인하기 위해 들룩은 물 속에 녹아있는 공기를 제거한 후 물을 끓이는 실험을 생각했습니다. 재미있는 것은 물 속의 공기 방울들을 제거 하기 위해 들룩이 사용한 방법은 끊임없이 물이 든 용기를 흔들어대는 것이었습니다. 책의 내용에 의하면 그는 약 4주동안 물이 든 용기를 쉼없이 흔들었다고 합니다. 두손을 써야하는 경우와 잠을 자는 시간을 제외하고는 계속해서 물을 흔들어 물속 공기방울을 제거하였고, 이 물을 끓여본 결과 실제로 섭씨 112도까지 물이 끓지 않다가 갑자기 폭발적으로 물이 끓어오르는 것을 확인했다고 책은 설명하고 있습니다.

실제 물이 몇 도에서 끓어오르는 것인가에 대한 과학적 원리보다 이 칼럼을 통해서 말씀드리고자 하는 것은 우리가 당연하다고 생각하는 무언가가 이삼백년을 지속해 온 연구대상일 수도 있다는 것입니다. 물의 끓는점에 대한 오랜 고찰은 초등학생들도 아는 상식으로 생각되는 사실이 실제로는 그리 쉽게 단정지을 수 있는 것이 아니라는 것을 보여주는 하나의 예라고 할 수 있습니다. 당연하다고 생각되는 모든 것들 역시 당연하지 않을 수 있는 가능성을 갖고 있다는 것을 인정하면, 모든 것에 대한 다양성을 받아들이기가 쉬워집니다. 내가 옳다고 믿는 것 만이 유일한 진실이 아닐 수 있다는 유연함, 또한 내가 옳다고 믿는 것이 완벽하지 않을 수도 있다는 겸손함은 과학자의 연구 자세만이 아니라 우리 모두에게 필요한 덕목이 아닐까 합니다. 

물론, 물의 끓는점에 대한 연구 자체도 우리에게 매우 중요합니다. 어떤 분들은 뭐 그리 쓸데 없는 것을 연구하나라고 생각하실 수도 있지만, 유체 역학 등의 분야에서 물의 끓는점과 그 원리는 매우 중요한 근본적 원리이며, 이러한 기초원리를 파악한다는 것은 많은 관련 분야의 문제점을 해결할 수 있는 실마리가 될 수 있습니다. 순수 수학과 논리학의 기초를 확립하기 위해 영국의 수학자이자 철학자인 러셀(Bertrand Arthur William Russell, 3rd Earl Russell, 1872-1970)과 화이트헤드(Alfred North Whitehead, 1861-1947)가 함께 집필한 수학원리(Principia Mathematica)라는 책이 있습니다. 그들은 이 책을 통해 복잡한 수학의 논리성 설명했습니다. 주목할 것은 그들이 방대한 수학적 원리들을 증명하기 위해 가장 먼저 보인 증명 중에 하나는 바로 “1+1=2”라는 것입니다. 가장 기본적인 원리의 확립으로부터 모든 논리가 출발할 수 있다는 것을 보여준 것입니다. 당연하다고 생각되는 것에 대한 근본적인 의심이 중요한 과학적 발견의 시발점이 되는 것과 같은 이치일 것입니다.