12월이 되면서 이곳저곳에서 시작되는 크리스마스트리 점등식은 예전과 다를 바 없어 보이나 최근 장기화되고 있는 세계적 경기침체는 추워진 날씨와 더불어 더욱 어깨를 움츠리게 한다. 온도가 내려가면 사람들의 몸 부피가 줄어드는 느낌이 들며 반대로 날씨가 더워 온도가 올라가면 몸의 열을 식히기 위해 부채질을 하고, 누워도 최대한 몸을 펴서 많은 열을 발산시켜야 시원한 느낌을 준다.
과학의 세계에서도 온도가 내려가면 물질의 부피는 줄어들고 온도가 올라가면 부피는 증가한다. 나무로 제작된 창문틀이 봄에는 그런데로 잘 맞는 것 같더니 여름철에는 팽창되어 여는데 힘들수도 있고 낮은 온도의 겨울철에는 수축이 일어나 문틀 사이로 찬바람이 들어 올수도 있다. 이는 문틀 제작상의 결함이 아니라 나무재료의 자연적 특성인 것이다.
전봇대에 매달려 있는 전선은 여름철에는 부피가 팽창하면서 길어져 늘어지고 겨울철에는 팽팽하게 당겨져 있다. 기차레일의 연결 상태를 유심히 살펴보면 약간 틈을 두고 이어져 있다. 이는 여름철 고온 때 레일 부피가 팽창할 것을 미리 예측하여 디자인된 것이다.
우리 주위의 공기(air)는 대부분 산소(O₂)일 것이라 생각하기 쉽다. 하지만 실제로 공기는 질소가 약 78%를 차지하고 산소 21%, 나머지는 소량의 이산화탄소, 메탄, 수증기 등으로 섞여 있는 기체분자의 혼합 형태를 이루고 있다. 날씨가 추워지면 자동차 타이어 공기가 빠진 것처럼 보이나 실제는 기체분자의 부피만 수축된 현상이다. 공기 혼합기체분자의 수는 그대로 튜브안에 있으므로 날씨가 따뜻해지면 타이어의 공기는 부피만 팽창하여 자연히 부풀어 오른다. 그렇다고 날씨에 공기압을 맡길 수는 없는 일이므로 1개월 단위로 타이어의 압력을 체크하여 안전관리를 하도록 권고하고 있다.
찌그러진 탁구공은 뜨거운 물에 담그면 공안의 온도가 올라가면서 기체분자는 부피가 팽창하여 원래의 둥근 모습으로 되돌아온다. 겨울철 특히 아침 일찍 테니스를 칠 때 공은 여름철 보다 코트면에 잘 튀지 않는다.
이것은 기온이 내려가면서 공 안에 있는 공기가 빠진것이 아니고 공기 부피만 오그라들기 때문이다. 뜨거우면 기체분자간의 거리가 멀어져 팽창되며 차가우면 분자간 거리가 가까워져 수축되는 현상이 관찰 되는 것이다.
미국의 뉴멕시코주 앨버커키나 일본의 후쿠오카에서는 열기구를 이용한 스포츠대회가 유명한데 헬륨이나 수소 등과 같이 공기보다 가벼운 기체를 넣어 하늘로 오르게 하는 방법도 있으나 대부분 공기를 뜨겁게 덥혀 열기구 풍선속의 공기기체의 분자의 부피를 팽창시켜 솟아오르게 한다. 방안의 뜨거운 공기 분자들은 위로 올라가고 찬 공기분자들은 밑에 있는것과 같은 원리로 뜨거운 공기부피의 팽창으로 공기밀도가 낮아지면 공중으로 올라가고 밀도가 높아지면 가라앉는 것이다. 이 법칙은 프랑스의 물리학자 샤를에 의하여 1787년 밝혀졌다. 액체의 경우도 온도가 올라가면 팽창한다. 다만 액체는 용기속에 담겨있기 때문에 용기와 함께 팽창하므로 겉보기에는 관찰이 안 될 수도 있다.
가정에서 물을 끓이면 냄비 안에 작은 물방울들이 보인다. 커피나 설탕같은 고체들은 대부분 뜨거운 물속에서 잘 녹으나 기체분자들은 정반대로 더운 물속에 잘 녹지 못하는 특성이 있다.
참을수 없이 열 받아 화가 났을때 흔히 '뚜껑 열린다'라는 비유를 든다. 여기에는 열을 받으면 몸안의 모든 체세포들의 부피의 팽창이 일어나면서 냄비뚜껑 열리듯 터질 것 같고 체내의 수분속에 녹아있는 산소기체들도 온도가 올라가면서 세포밖으로 탈출을 시도한다는 과학적 근거가 있다.
인체세포의 원활한 신진대사를 위하여 산소는 필수조건인데 산소 결핍은 피로감, 만성심장혈관, 정신장애 등의 질환을 유발한다. 요즘같이 어려울수록 열을 덜 받고 마음의 분노를 잘 조절하면서 생명의 산소를 몸속에 깎듯이 잘 모시는 사람은 건강한 삶속에 인생 성공의 복을 보너스로 받는 것이다. 다가오는 2009년도에는 모든 분들이 '산소 보너스'를 듬뿍 받는 복 많은 한해가 되었으면 한다.
경성대 화학과 교수
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