얼음의 갈라짐과 손에 붙는 조건에 관한 탐구

얼음의 갈라짐과 손에 붙는 조건에 관한 탐구

Ⅰ. 탐구 동기

유난히도 더운 올여름 얼음물로 더위를 식히는 날이 많았다. 얼음을 한 주먹 꺼내 물에 넣는 순간 손가락에 얼음이 붙었다. 또 물속에 얼음을 넣는 순간 탁~ 소리와 함께 금이 갔다.평상시에 대수롭지 않게 생각하던 것이었는데 갑자기 나의 호기심을 자극했다. 다시 한 번 넣어보면서 순간 왜 손에 붙었었고 왜 힘이나 다른 자극도 가하지 않았는데 금이 가서 깨지는 것인지에 대하여 자세히 알고 싶어져 이 실험을 하게 되었으며, 가정에서 얼리는 얼음의 평균 온도에 대해서도 알아보았다.

Ⅱ. 의문점

1) 얼음이 왜 손에 달라붙는 것일까

여러물질과 달라붙는지의 여부에 대한 조사
다른 조건의 손에서의 차이에 대한 조사

2) 얼음에 금이 가게 하는 원인이 무엇일까

여러 액체에서의 갈라짐 조사
물에 온도에 따른 갈라짐 조사
얼음의 두께에 따른 갈라짐 조사
얼음의 온도에 따른 갈라짐 조사

3) ...

얼음의 갈라짐과 손에 붙는 조건에 관한 탐구

Ⅰ. 탐구 동기
유난히도 더운 올여름 얼음물로 더위를 식히는 날이 많았다. 얼음을 한 주먹 꺼내 물에 넣는 순간 손가락에 얼음이 붙었다. 또 물속에 얼음을 넣는 순간 탁~ 소리와 함께 금이 갔다.평상시에 대수롭지 않게 생각하던 것이었는데 갑자기 나의 호기심을 자극했다. 다시 한 번 넣어보면서 순간 왜 손에 붙었었고 왜 힘이나 다른 자극도 가하지 않았는데 금이 가서 깨지는 것인지에 대하여 자세히 알고 싶어져 이 실험을 하게 되었으며, 가정에서 얼리는 얼음의 평균 온도에 대해서도 알아보았다.

Ⅱ. 의문점
1) 얼음이 왜 손에 달라붙는 것일까
여러물질과 달라붙는지의 여부에 대한 조사
다른 조건의 손에서의 차이에 대한 조사

2) 얼음에 금이 가게 하는 원인이 무엇일까
여러 액체에서의 갈라짐 조사
물에 온도에 따른 갈라짐 조사
얼음의 두께에 따른 갈라짐 조사
얼음의 온도에 따른 갈라짐 조사

3) 가정에서 얼리는 얼음은 왜 오래 못갈까
일반 가정의 냉동고의 온도 조사
시간에 따른 얼음의 온도변화 조사
온도와 조건에 따른 얼음의 녹는 시간 조사

Ⅲ. 준비물
얼음…(생략)

얼음을 만들어도 기포가 생기기 쉽다. 또한 천연얼음에는 여러 불순물이 혼합해 있다. 보통 얼음의 비중은 0.88∼0.92이다. 비중이 1인 액체인 물과 비교해서 상당히 낮은 값을 갖는 이 특성은 얼음 결정이 상당히 빈틈이 많은 구조이기 때문이다. 일반적인 얼음은 얼음I이라고 하는 것으로 0℃, 2,000atm 이하에서 안정된 구조를 이룬다. 그 밖에 얼음 II, III, IV, V, VI, VII 등 고압 하에서 존재하는 결정구조의 얼음이 있다. 보통의 얼음 결정은 육방정계(六方晶系)에 속하며 H2O 분자는 수소결합에 의해서 무한히 이어진 구조를 취한다. 단위는 산소원자를 중심으로 한 사면체 구조인데, 석영의 한 변형상태인 인규석이나 보통 유리의 실투(失透:유리에 결정이 석출하는 현상) 등에 의해서 생기는 결정이 눈의 결정과 같은 설화형(雪華型) 육각형 등이 되는 것은 이 때문이다. 얼음이 녹을 때는 일부의 수소결합이 파괴되어 육각형 터널구조가 없어지므로 액체인 물 쪽으로 H2O 분자가 채워진다. 따라서 물의 비중이 얼음보다 커진다. 얼음 II는 약 3,000atm의 압력 하에서 만들어진 것으로 얼음의 결정구조와 아주 비슷하다. 그러나 산소에 의한 사면체 구조가 일그러져 육각형의 터널구조가 비뚤어진 형이 되므로 빈틈이 적다. 이것은 같은 압력 하의 액체인 물보다 비중이 크다.

Ⅴ. 실험 방법
1) 얼음이 왜 손에 달라 붙는 것일까
여러 물질과 달라 붙는지의 여부에 대한 조사
☞ 손에 각각 다른 재질의장갑(맨손, 비닐장갑, 면장갑, 고무장갑)들을바꿔 끼워가며 얼음과 붙나 안붙나 실험해본다.
다른 조건의 손에서의 차이에 대한 조사
☞ 손에 물기를 묻혔을 때와 안 묻혔을 때, 그리고 식용유를 묻혔을 때 4가지 경우에서 얼음과 붙나 안 붙나를 실험해본다.
단, 물기를 많이 묻혔을 때와 축축한 정도로만 묻혔을 때를 구분한다.

2) 얼음에 금이 가게 하는 원인이 무엇일까
여러 액체에서의 갈라짐 조사
☞ 얼음을 여러 가지액체 (수돗물, 사이다, 우유, 주스, 식용유)에 넣어 액체의 종류에 따라 갈라지는 정도를 비교해본다.
물에 온도에 따른 갈라짐 조사
☞ 물의 온도를 각각 4℃, 25℃, 50℃, 100℃ 로 맞춰서 4가지 경우에 따라 갈라지는 정도 비교해본다. 단, 끓는 물을 주의한다.
③ 얼음의 두께에 따른 갈라짐 조사
☞ 얼음의 크기가 다르게 얼리고 쪼개서 같은 조건의 물이 들어있는 컵 에 넣어서 갈라지는 정도, 소리 등을 비교해본다.
④ 얼음의 온도에 따른 갈라짐 조사
☞ 집에서 얼린 얼음과 파는 얼린 얼음을 물에 넣어 갈라지는 정도와 시 간, 소리 등을 비교해본다.

3) 가정에서 얼리는 얼음은 왜 오래 못갈까
일반가정의 냉동고 온도 조사
☞ 30가구의 냉동고의 온도에 대하여 조사해본 뒤 통계와 평균을 내본다.
시간에 따른 얼음의 온도변화 조사
☞ 얼음판에 물을 넣고 냉동실에 넣어 30분마다 10번 적외선온도계로 얼음의 온도를 측정한다.
온도와 조건에 따른 얼음의 녹는 시간 조사
☞ 얼음의 온도(-10℃, -13℃, -15℃, -18℃)를 다르게 하고, 덩어리얼음과 가루 얼음을 이용하여 녹는 시간을 잰다.

Ⅵ. 탐구결과
1. 얼음이 손에 붙는 이유가 무엇일까
여러물질과의 달라붙는지의 여부에 대한 조사

구 분
고무장갑
비닐장갑
면장갑
맨손
붙었는지의 여부
X
X
O
O

고무장갑과 비닐장갑에는 얼음이 붙지 않았고 면장갑과 맨손에는 얼음이 붙었다. 고무장갑은 단열과 방수 작용이 뛰어나서, 비닐장갑은 단열은 잘 안 되나 방수작용이 좋아 얼음이 붙지 않는 것 같다. 면장갑과 맨손은 얼음의 온도가 잘 전달될 뿐만 아니라 수분으로 인해 얼음을 잡으면 손 자체의 온도에 의해 얼음의 표면이 살짝 녹는데 이 수분이 손 또는 면장갑에 스며들고, 스며든 수분이 얼음에 의해 자신의 온도를 되찾게 되어 얼어서 붙게 되는 것이다.

다른 조건의 손에서의 차이에 대한 조사

구 분
물을 많이 묻혔을 때
물을 약간 묻혔을 때
건조한 손
기름을
묻혔을 때
얼음이 붙은 개수
(10개 사용)
0개
9개
6개
0개

손에 다른 조건을 주어 얼음 10개를 만져 봤다. 물을 약간 묻혔을 때 얼음이 가장 잘 달아 붙었다. 물을 많이 묻혔거나 기름을 묻혔을 때는 손과 얼음사이의 물이 채 얼기 전에 미끄러졌으므로 하나도 안 붙었던 것 같다.
2. 얼음을 갈라지게 하는 요인은 무엇일까
액체의 종류와의 관계
물, 사이다, 오렌지주스, 우유에서는 얼음이 갈라지는 정도가 비슷했으나, 식용유에서는 얼음이 전혀 갈라지지 않았다. 즉, 액체의 종류와 얼음의 갈라짐에 별 영향을 미치지 않는 것 같다.
물의 온도와의 관계
0℃, 4℃, 25℃, 100℃의 물에 넣은 얼음이 갈라진 개수가 거의 같았다. 100℃의 물에 있는 얼음이 너무 빨리 녹아서 제대로 살펴보지 못해 다시 실험해야 했다. 물의 온도와 얼음의 갈라지는 것과는 관계가 거의 없었다.

얼음의 모양이나 두께와의 관계
두께를 1cm, 3cm로 한 것 모두 얼음이 갈라졌다. 즉, 얼음의 두께와 모양은 별로 상관이 없었다.

얼음의 온도와 어는 정도에 대한 비교

얼음이 0℃ 와 -5℃에선 전혀 갈라지지 않았고, -10℃부터 갈라지기 시작했으며, -15℃ 이상부터는 거의 모두 갈라졌다. 즉, 얼음은 -10℃ 이상부터 갈라지기 시작했다.

3) 가정에서 얼리는 얼음은 왜 오래 못 갈까
일반가정의 냉동고의 온도 조사
보통 가정에서 쓰는 냉동고의 온도는 몇도 정도 되는지 집주변의 30가구의 냉동고의 온도를 측정해보았다. 가장 많은 가구의 냉동고의 온도가 -12℃~ -14℃ 사이였으며 30가구의 평균온도는 14℃였다. 시중에서 구할 수 있는 일반 수은온도계의 눈금로는 냉동실의 온도를 잴 수가 없어서 적외선 온도계를 이용했다.

시간에 따른 얼음의 온도변화 조사

3시간 후 얼음의 온도가 -18℃까지 내려가고 시간이 더 지나도 온도가 내려가지 않았다. 이것으로 보아 가정에서 만든 얼음은 -15℃에서 -20℃였다.

Ⅶ. 결론
1) 얼음이 왜 손에 달라붙는 것일까
① 고무장갑과 비닐장갑에는 얼음이 붙지 않았고 면장갑과 맨손에는 얼음이 붙었다.
② 고무, 비닐장갑은 방수작용이 좋아 얼음이 붙지 않았다.
③ 면장갑과 맨손은 얼음의 온도와 수분으로 인해 얼어서 붙게 되었다.
④ 차가운 얼음을 손으로 만지면 손의 수분이나 얼음의 표면이 약간 녹아서 생긴 수분이 얼음의 낮은 온도로 인해서 얼어 얼음과 손이 붙게 된다.

2) 얼음에 금이 가게 하는 원인이 무엇일까
① 물, 사이다, 오렌지주스, 우유에서는 얼음이 갈라지는 정도가 비슷했으나, 식용유에서는 얼음이 전혀 갈라지지 않았다.
② 공기 중에서는 얼음에 금이 가는 현상은 없고, 녹기만 하였다.
③ 물 0℃에서는 약간, 4℃부터는 온도에 관계없이 모두 금이 갔다.
④ 물속에서 두께가 1cm, 3cm인 얼음 모두 갈라졌다.
⑤ 얼음에 금이 가게 하는 원인은 액체의 종류, 얼음의 두께가 아니라 얼음 에 가해진 온도 변화를 크게 할수록 금이 가는 정도가 컸다.

3) 가정에서 얼리는 얼음은 왜 오래 못갈까
① 가정의 냉동실의 온도가 대부분 -14℃ 정도였다.
② 물은 가정용 냉동실에 넣은 지 3시간이 지나면 완전히 얼게 되었다.
③ 가정용 냉동고를 사용하여 만든 얼음의 최저 온도는 -18℃ 정도 였고, 공장용 얼음은 -25℃ 였다.(가정용 냉동고의 최저온도 - 약18 ℃)
④ 덩어리 얼음보다는 가루 얼음이 빨리 녹는 현상을 보였다. (7-8분 필요)
⑤ 가장 오래가는 얼음은 온도가 가장 낮은 -18℃인 얼음이었고, 53분 정도에 녹았다.
⑥ 가정에서 팥빙수를 만들려면 냉동실에서 3시간 이상 얼리고, 가루가 아닌 조 각 얼음을 사용하면 가능할 것으로 보인다.

Ⅷ. 얻은 생활의 지식
1. 여름철 빙과류가 손이나 혀에 붙지 않게 하려면
먹기 전에 혀에 물을 충분히 머금고 먹는다.
2. 아이스박스의 보냉 시간을 늘리려면
-25℃ 이상의 공장용 얼음을 사용하되 얼음의 온도가 낮으면 낮을수록 오래간다.
3. 팥빙수를 갈아먹을 때는
판매하는 얼음을 구입하여 가루로 만들어 사용하면 편리하다.
가정에서 얼린 얼음을 사용할 경우는 냉동실에서 3시간 이상 얼리고, 가루가 아닌 작은 조각 얼음을 사용하면 가능할 것으로 보인다.

Ⅸ. 느낀 점
개인적으로 무언가를 탐구 또는 실험하는 것을 좋아한다. 그러나 얼음에 대하여 탐구를 하면서 항상 주위의 여건만을 핑계로 실험을 못한다고 탓해왔던 나 자신이 부끄러워졌다. 실험할 수 있는 것은 주위에도 풍부하게 널려있다는 것을 깨달았고, 이번 탐구를 계기로 더욱더 과학에 많은 관심을 가져야겠다.

Ⅹ. 더 연구해 보고 싶은 점
1) 식용유에 넣은 얼음이 갈라지지 않는 이유에 대해서 무척이나 알고 싶다.
2) 얼음이 갈라질 때 어떻게 어디서부터 갈라지는지 구체적으로 알아보고 싶다.
3) 얼음 속에 조그만 방울들이 있는데 이 방울들이 왜 생기는 지도 궁금하다.