2026년 9월 30일 · 용티IYPT 1995 · 문제 9 · 열·상전이

영하에서도 얼지 않다가 톡 치면 순식간에 어는 물 — 과냉각수

V2 공개자료 교차확인 — 둘 이상의 독립된 자료로 확인

탐구 주제

IYPT 1995 문제 9 ‘Ice cream’에 관한 원리 해설과 탐구 설계입니다.

IYPT 1995 공식 문제 보기

교육과정 연결

중학교 과학 「물질의 상태 변화」(응고와 상태 변화에 따른 열에너지 출입) / 고등학교 통합과학1 「과학의 기초」(측정과 탐구)·과학탐구실험1 「생활 속 과학 탐구」 / 일반선택 「화학」(물의 특성, 용액과 상변화) (2022 개정 교육과정, 단원 코드는 NCIC에서 최종 확인).

핵심 개념

과냉각, 준안정 상태, 상전이, 핵생성, 불균질 핵생성, 균질 핵생성, 임계 핵, 잠열(융해열), 재휘(recalescence, 잠열 방출에 의한 온도 되오름), 냉각 곡선, 어는점, 어는점 내림, 과포화, 결정 성장

원리 살펴보기

영하의 냉동실에서 꺼낸 생수병이 꺼내는 순간, 혹은 살짝 건드리는 순간 눈앞에서 순식간에 얼어붙는 영상을 본 적이 있는가? 그 물은 이미 0 °C보다 낮은 온도인데도 액체로 남아 있었다. 이것이 과냉각이다 — 물이 어는점 아래로 내려가도 얼지 못하고 액체 상태로 버티는 준안정 상태. 얼음이 되려면 물 분자들이 규칙적인 결정 격자로 줄지어 서야 하는데, 그 줄서기를 시작할 ‘씨앗(핵)’이 없으면 분자들은 좀처럼 얼기 시작하지 못한다.

그 씨앗을 만드는 일을 핵생성이라 한다. 먼지·용기 벽의 흠집·기포 같은 남의 표면에 얼음이 붙어 시작하는 불균질 핵생성은 웬만한 물에서 0 °C 부근에 곧바로 일어나 물을 얼린다. 그래서 깨끗하고, 부피가 작고, 흔들림이 없는 물일수록 이 방아쇠가 늦게 당겨져 더 깊이 과냉각된다. 남의 표면이 전혀 없는 순수한 물이 분자들끼리만 스스로 핵을 만드는 균질 핵생성은 대략 −38 °C에 이르러서야 일어나며, 이것이 보통 말하는 벌크 물의 과냉각 한계(통상적 균질 핵생성 온도)로 알려져 있다. 이 과냉각수를 톡 건드리거나 얼음 조각을 넣으면 결정이 순식간에 번지고, 이때 얼면서 내놓는 잠열(융해열)이 물을 도로 데워 온도를 0 °C로 끌어올린다. 바로 이 되돌아온 온도의 평탄부가 물의 어는점이니, 과냉각 실험은 곧 어는점을 재는 실험이기도 하다.

과냉각은 신기한 장면으로 그치지 않는다. 기상·항공 안전(구름 속 과냉각 물방울이 날개에 닿아 어는 착빙, 어는비), 냉동 생체·장기 보존(세포를 얼리지 않고 0 °C 아래로 오래 저장해 손상을 줄이는 저온 보존), 식품 냉동(아이스크림을 곱게 얼려 얼음 결정을 작게 만드는 급속 냉동 — 이 문제의 제목이 ‘아이스크림’인 까닭이다), 상전이·핵생성 연구에 두루 맞닿아 있다.

실험 설계

준비물

증류수(또는 정제수), 깨끗한 시험관·작은 비커, 얼음과 소금으로 만든 한제(또는 냉동실), 정밀 디지털 온도계나 온도 로거(써미스터·열전대), 스탠드와 클램프, 씨앗용 작은 얼음 조각, 스마트폰(온도·결빙 순간 촬영), (선택) 오일 소량과 스포이트.

변인

독립변인은 과냉각을 방해하는 조건 — 물의 부피, 용기의 청결도, 냉각 속도(한제 온도) 가운데 하나를 골라 한 번에 그것만 바꾼다. 종속변인은 저절로 결정화가 시작되기 직전 도달한 최저 온도, 곧 0 °C 아래로 내려간 과냉각 깊이이다. 통제변인은 같은 물·같은 온도계 위치, 흔들림 없는 환경, 그리고 바꾸지 않기로 한 나머지 조건이다.

실험 순서

  1. 시험관과 온도계를 깨끗이 씻어 말리고 증류수를 담은 뒤, 온도계(또는 로거의 탐침)를 물 가운데에 고정한다 — 결정화의 씨앗이 될 먼지·흠집을 최대한 없앤다.

  2. 얼음+소금 한제(또는 냉동실)에 시험관을 넣고, 흔들리지 않게 둔 채 온도를 시간에 따라 계속 기록한다 — 온도가 0 °C를 지나도 얼지 않고 더 내려가는지 지켜본다.

  3. 저절로 얼기 시작하는 순간의 최저 온도를 읽는다(=과냉각 깊이). 아직 얼지 않으면 얼음 조각을 넣거나 살짝 두드려 결정화를 유발하고, 얼음이 번지는 모습을 촬영한다.

  4. 결정화 직후 온도가 0 °C 부근으로 되올라 한동안 평탄해지는 구간을 읽어 어는점으로 삼는다. 부피·청결도·냉각 속도를 바꿔 ②③을 되풀이하며 가장 깊은 과냉각(=나의 기록)을 찾는다.

안전 안내

⚠ 안전

얼음+소금 한제는 −20 °C 가까이 내려가 저온 화상을 일으킬 수 있으니 맨손으로 오래 만지지 말고 장갑을 낀다. 온도계는 깨지면 위험한 수은식을 피하고 알코올식·디지털을 쓰며, 유리 시험관의 깨짐과 베임에 주의한다. 과냉각수는 결정화 순간 튈 수 있으니 눈높이 아래에서 다루고, 소금물 한제를 흘리면 바로 닦아 미끄러짐을 막는다. 실험 후 기구를 씻는다.

예상과 해석

먼저 예상해 보기

물의 부피를 줄이고 더 깨끗한 용기를 쓰면 0 °C보다 몇 도나 더 아래까지 얼지 않고 버틸 수 있을까? 빠르게 식힐 때와 천천히 식힐 때는 어느 쪽이 더 깊이 내려갈까 — 천천히 식히면 각 온도에 머무는 시간이 길어져 얼 기회도 쌓인다는 점을 생각해 보자.

자료 정리

온도–시간 냉각 곡선을 그려, 결정화 직전의 최저점(과냉각 깊이)과 그 뒤 되올라 평탄해지는 구간(어는점)을 함께 읽는다. 조건(부피·청결도·냉각 속도)마다 여러 번 반복해 도달한 최저 온도를 표로 모으고, 가로축을 그 조건, 세로축을 과냉각 깊이로 하여 경향을 살핀다. 조건 간 비교는 같은 반복 횟수로 하고, 가장 깊은 기록과 함께 시행별 최저 온도의 가운데 값을 나란히 적는다 — 시행이 많을수록 기록 자체는 깊어지기 때문이다. (그래프는 축과 개형만 잡고, 실측 전에는 수치를 채우지 않는다.)

결과의 의미

순수하고 조용하고 부피가 작을수록 물은 더 깊이 과냉각될 것으로 예상되며, 학교 실험 환경에서는 대개 0 °C 아래 몇 도에서 결정화가 일어나고, 조건을 잘 다스리면 그보다 더 깊이 내려갈 수 있다. 중요한 것은, 우리가 실제로 통제하는 값은 온도가 아니라 핵이 생길 확률이라는 점이다. 과냉각의 ‘기록’이 균질 핵생성 한계(약 −38 °C)까지 곧장 가지 못하는 까닭은, 그 전에 용기 벽·불순물에서 불균질 핵생성이 먼저 방아쇠를 당기기 때문이다. 그래서 기록은 하나의 숫자가 아니라 스펙트럼으로 이해하는 편이 옳다 — 평범한 학교 환경은 0 °C 아래 몇 도, 조건을 잘 다스린 작은 부피는 그보다 깊이, 남의 표면을 거의 없앤 마이크로 물방울은 그 부근까지, 그리고 초고속 냉각으로 통상 한계를 순간적으로 지나친 실험실 기록은 227 K(≈ −46 °C)에 이른다. 한편 결정화 뒤 온도가 0 °C로 되올라 평탄해지는 구간이 곧 어는점이니, 과냉각의 깊이(기록)와 어는점을 한 번의 냉각 곡선에서 함께 읽어 내는 것이 이 실험의 묘미다.

더 탐구하기

  1. 물의 부피를 크게 줄이거나(작은 방울) 늘려, 부피가 작을수록 더 깊이 과냉각되는지 확인해 보자 — 작은 부피일수록 결정화의 씨앗을 만날 확률이 낮다.

  2. 수돗물·정제수·여러 번 거른 물을 비교하거나, 일부러 먼지·모래를 넣어 불균질 핵생성을 유도해 과냉각이 사라지는지 살펴보자.

  3. 수면을 오일 한 겹으로 덮어(Huang의 방법) 물·공기 경계에서의 핵생성을 억제하면 더 깊이·더 오래 과냉각되는지 시험해 보자.

  4. 소금물·설탕물로 바꿔, 어는점이 0 °C보다 내려가는 어는점 내림과 과냉각이 함께 어떻게 나타나는지 관찰해 보자(문제 3과 이어진다).

연결 주제

1995년 문제 3 ‘소금물 고리(Drop)’와 짝을 이룬다 — 그쪽은 물이 마르며 진해지다 소금 결정이 생기는 순간(과포화→결정 핵생성)을, 이쪽은 물이 식으며 얼음 핵이 생기는 순간(과냉각→얼음 핵생성)을 다뤄, 준안정 상태에서 상(相)이 갈라지는 같은 핵생성 물리를 공유한다(문제 3 원고가 이미 문제 9로 연결해 두었다). 문제 14 ‘어는 호수(Frozen lake)’와도 이어 볼 수 있다 — 결빙과 잠열, 얼음층을 통한 열전달을 다루기 때문이다.

참고문헌

[학생] Harvard Natural Sciences Lecture Demonstrations ‘Supercooling of Water’(sciencedemonstrations.fas.harvard.edu) — 깨끗한 용기의 정제수를 서서히 0 °C 아래로 식힌 뒤 씨앗 결정·충격으로 순간 결빙시키는 시연 · RSC Education ‘Supercooling and the energetics of freezing’(edu.rsc.org) — 냉각 곡선에서 과냉각과 재휘(잠열이 방출돼 온도가 어는점으로 되오름)를 보여 주는 학급 실험(물질은 싸이오황산소듐; 개념 예시) / [심화] K.-C. Tan, W. Ho, J. I. Katz, S.-J. Feng, “A study of the occurrence of supercooling of water,” American Journal of Physics 84(4), 293–300 (2016) (냉각 매질·초기 온도와 과냉각 발생의 관계; DOI 10.1119/1.4939792) · P. G. Debenedetti, “Supercooled and glassy water,” J. Phys.: Condens. Matter 15(45), R1669–R1726 (2003) (과냉각수의 이상 성질과 균질 핵생성 한계 ≈ −38 °C를 정리한 표준 리뷰; DOI 10.1088/0953-8984/15/45/R01) · J. A. Sellberg 외, “Ultrafast X-ray probing of water structure below the homogeneous ice nucleation temperature,” Nature 510(7505), 381–384 (2014) (마이크로 물방울을 초고속 냉각해 227 K(≈ −46 °C)까지 준안정 액체 물을 관찰; DOI 10.1038/nature13266) · H. Huang, M. L. Yarmush, O. B. Usta, “Long-term deep-supercooling of large-volume water and red cell suspensions via surface sealing with immiscible liquids,” Nature Communications 9, 3201 (2018) (수면을 기름으로 덮어 100 mL 물을 −20 °C에서 최대 100일간 과냉각; DOI 10.1038/s41467-018-05636-0). ※ 학교 장치가 실제로 도달하는 최대 과냉각 깊이(=기록)는 용기 청결도·부피·냉각 속도가 좌우하는 불균질 핵생성에 달려 있어 개방 지점이다.

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