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양초 연소 실험에서 물이 올라가는 이유는?

물을 부은 샬레에 촛불을 세우고, 유리병으로 덮으면 어떻게 될까? 이 물음에 대부분의 사람들은 촛불은 꺼지고, 유리병 속 수면은 높아진다고 대답할 것이다. 그리고 "물이 올라가는 이유는 무엇일까"라고 물으면 연소과정에서 비커 속의 기체 부피가 줄어들었기 때문에 줄어든 부피만큼의 물이 올라간다고 설명한다. 과연 그럴까.

이 양초 실험은 교과서에 나와 있지는 않지만 꽤 유명한 시범실험이다.

대부분의 학생들은 물이 올라가는 이유를 산소의 소모에 의한 영향으로 설명한다. 유리병 속에서 촛불은 조금동안이지만 타다가 꺼진다. 이것이 산소의 소모에 의한 현상임을 이미 알고있는 학생들로서는 자연스럽게 물이 올라가는 이유를 산소가 고갈돼 부분적으로 진공이 생겼기 때문이라고 생각한다. 이러한 해석은 중학교 2학년 과학 책에 등장하는 공기 중 산소의 부피를 알아보는 붉은 인 연소 실험도 일조했다고 볼 수 있다.

양초 연소와 붉은 인 연소의 차이

하지만 붉은 인 연소실험과 양초 실험 사이에는 중요한 차이가 있다. 붉은 인이 연소될 때 만들어지는 오산화인이라는 물질은 물에 거의 녹는다. 즉 밀폐된 공간에서 붉은 인이 연소됐다면 그 공간 안에 있던 산소는 거의 소모되고, 이 결과 발생한 오산화인은 물에 녹아 자연스럽게 기압의 차이가 발생한다. 즉 소모된 산소만큼 물이 올라온다고 이해할 수 있다. 물론 열팽창에 의한 효과도 있다.(후술). 그러나 양초 연소 실험에서 만들어지는 이산화탄소는 물에 거의 녹지 않고(상온에서는 더욱 더 그렇다), 수증기도 대부분 응결되므로 물 속에 다 녹는다고 볼 수 없으므로 산소의 소모로만 설명할 수 없다는 얘기다.

양초 연소실험에서 물이 올라가는 것은 공기의 열 팽창에 의한 기압 변화 때문이나 작지만 산소소모에 의한 영향도 어느 정도 있다. 이것을 보이려고 한것이 필자가 개발한 실험장치다. 이 장치는 유리병 속에서 불을 붙일 수 있는 것이어서 공기의 열 팽창에 의한 영향을 통제한다. 즉 산소의 소모에 의한 영향만을 알아 볼 수 있는 장치다. 실험결과에 따르면 산소 소모에 의한 효과는 미미함을 확인할 수 있다.

물높이 변화는 열팽창에 때문

열팽창에 의한 효과가 크다는 것을 알아보기 위해선 보통의 방법으로 실험할 때 비커를 빠르게 덮어보고, 천천히 덮어보면 그 차이가 분명하다. 천천히 덮으면 물이 더 많이 올라오는 것을 확인할 수 있는데, 이는 비커속의 기체가 열을 더 많이 받았기 때문이다.

따라서 연소되는 촛불에 비커를 덮었을 때 물이 올라가는 주된 이유는 공기의 열팽창에 의한 기압 변화 때문이다. 즉 촛불의 열 때문에 비커 속의 기체는 팽창해 압력이 높아진다. 압력이 높아진 비커 속의 기체는 밖으로 밀려난다.

이 과정이 비커가 물의 표면에 닿기전에 일어난다. 비커가 초를 덮으면 촛불이 꺼지면서 비커 속의 기체는 식어 수축한다. 즉 압력이 낮아진다는 얘기다. 이 때 외부의 압력은 비커 속의 낮은 압력쪽으로 힘을 가하게 된다. 이 힘이 물을 밀어 올리는 것이다.