지구상의 물

  물은 바다, 빙하, 강, 호수, 대기, 토양, 그리고 살아 있는 조직 등, 지구상의 어디에나 존재한다. 지구 표면 또는 지구상 물의 대부분(97% 이상)은 바다에서 발견되는 염수이다. 남은 3%의 대부분은 남극과 그린란드에 위치한 빙상에 저장되어 있다. 단지 0.001%만이 대기권에 존재하며 이 중 대부분은 수증기 형태로 존재한다.

 

  바다, 대기 그리고 대륙 사이의 연속적인 물 교환을 물순환(hydrologic cycle)이라 한다. 바다 그리고 적은 양이지만 대륙으로부터 물이 증발해서 대기권으로 유입된다. 바람이 수증기가 포함된 이 공기 덩이를 수송하는데, 수증기가 아주 작은 액상의 수적으로 응결되는 구름 생성 과정이 시작되기 전까지 때로는 아주 먼 거리까지 수송한다.

  구름 형성 과정은 강수를 유발할 수도 있다. 바다로 내린 강수는 그것으로 순환이 종료되며 또 다른 순환을 시작할 수 있다. 남은 강수는 육지에 내린다. 육지에 내린 비의 일부는 땅속으로 스며들고 [침투(infiltration)], 이들의 일부는 아래로 이동하다가 결국에는 호수나 하천으로 유입된다. 나머지는 지표면을 따라 흐르게 되는데, 이를 유출(runoff)이라 한다. 

  지하수와 유출의 대부분은 결국 증발을 통해 대기로 되돌아온다. 또한 땅으로 침투된 물의 일부는 식물의 뿌리를 통하여 흡수되는데, 그것은 증발산(evapotranspiration)이라는 과정을 통해 대기 중으로 방출된다. 

  전 지구 대기에 분포하는 수증기의 총량은 거의 일정하기 때문에, 전 지구상에 내리는 연평균 강수량은 증발산을 통해 대기로 유입된 물의 양과 같아야 한다. 그러나 대륙에서는 강수가 증발산보다 많다. 전체적으로 물순환의 평형이 유지되고 있음은 전 세계 해수면의 고도가 낮아지거나 높아지지 않는다는 점에서 확인된다. 

  물순환을 통한 끊임없는 물의 이동이 우리 행성 표면에서의 수분의 분포를 결정하며, 모든 대기현상과 복잡하게 관계되고 있다. 

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물은 독특한 속성을 갖고 있어 대부분의 다른 물질들과 구분된다. 

(1) 물은 지구 표면에서 대량으로 발견되는 유일한 액체이다.
(2) 물은 언제든지 한 상에서 다른 상(고체, 액체, 기체)으로 변환될 수 있다.
(3) 물의 고체 상태인 얼음은 액체보다 밀도가 작다. 
(4) 물은 높은 비열을 갖고 있어 온도를 변화시키기 위해서는 많은 에너지가 요구된다. 

  이러한 물의 독특한 특성은 대부분 물이 수소결합을 하는 특성에서 유래하는 결과이다. 수소결합(hydrogen bonds)이란 하나의 물 분자에 있는 수소 원자와 다른 물 분자의 산소 원자 사이에 작용하는 인력이다. 물 분자(H2O)는 하나의 산소 원자와 강하게 결합한 2개의 수소 원자들로 이루어져 있다.

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  물은 지구의 자연 상태에서 고체(얼음), 액체, 그리고 기체(수증기)로서 존재하는 유일한 물질이다. 모든 형태의 물은 물 분자(H2O)를 형성하기 위해 결합한 수소와 산소 원자로 구성되기 때문에 액체 상태의 물, 얼음, 그리고 수증기 사이에 주된 차이점은 물 분자들의 배열이다. 

  얼음은 낮은 운동에너지(움직임)를 가진 물 분자로 구성되어 있으며 상호 간의 분자 인력에 의해 결합한다(수소결합). 물 분자들은 강하게 구조화된 그물 구조를 형성하며 이러한 이유로 얼음의 물 분자들은 상대적으로 움직임이 자유롭지는 않고 고정된 장소에서 약간씩 진동한다. 얼음이 가열되면, 분자들은 좀 더 빠르게 진동한다. 분자들의 움직임 비율이 충분히 증가하게 되면, 몇몇 물 분자들 사이의 결합이 끊어지게 되고 결과적으로 녹게(melting) 된다.

  액체 사이에서, 물 분자들은 여전히 강하게 결합하여 있으나 그들의 움직임이 적당히 빨라서 분자 간에 상대적으로 쉽게 이동할 수 있다. 그 결과 액체 물은 유동성이 있고, 용기에 담기면 그 용기의 모양이 된다. 액체 물이 주위로부터 가열되면, 일부 분자들은 그들 간의 수소결합을 끊기에 충분한 에너지를 얻을 것이고 그 결과 표면으로부터 달아나는 수증기가 될 것이다. 수증기 분자들은 물과 비교할 때 서로 멀리 떨어져 분포하며, 매우 활동적이면서 자유롭게 움직인다. 

  수증기가 액체로 되거나 물이 결빙될 때 이 모든 과정이 역으로 진행된다. 즉, 물이 상변화 할 때는 수소결합이 이루어지거나 끊어진다.

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잠열
  물이 상변화를 할 때는 언제든지 물과 주위 환경 사이에 열이 교환된다. 물이 증발할 때, 열은 흡수된다. 
예를 들어, 물을 증발시키기 위해서는 열이 필요하다. 물이 상변화 할 때 동반되는 열은 칼로리(calorie, cal) 단위로 측정된다. 1cal는 물 1g을 1℃ 올리는 데 요구되는 열의 양이다. 그러므로 10 cal의 열이 물 1g에 의해 흡수되면, 분자들이 더 빠르게 진동하여 현재보다 10℃의 온도가 상승한다 [국제표준단위(SI)계에서는 에너지를 표시하기 위해 줄(J)을 사용하며 1 cal=4.2J이다].
  어떠한 조건에서는, 열이 물체에 더해져도 온도 상승이 없을 수 있다. 예를 들면, 얼음물 한잔이 가열될 때, 얼음-물 혼합 상태인 물의 온도는 얼음이 전부 녹을 때까지 일정하게 0℃가 된다. 더해진 열이 얼음물의 온도를 올리지 못한다면, 이 에너지는 어디로 가는가? 
이 경우, 더해진 열에너지는 물 분자들을 결정체 구조로 묶는 분자들의 인력을 끊는 데 사용된다. 

  얼음을 녹이는 데 사용된 열이 온도변화를 일으키지 않기 때문에, 그것은 잠열(latent heat)이라 한다 ['잠(latent)'은 범죄 현장에서의 숨겨진 지문처럼 '숨은'을 의미한다]. 액체 물에 저장된 에너지는 액체가 고체상태로 다시 돌아갈 때 주위에 방출된다. 
  얼음 1g을 녹이는 데 80 cal(334J)가 필요하며 이것을 융해열(latent heat of melting)이라 한다. 결빙(freezing), 즉 역과정은 이 80 cal/g을 주위에 융해 잠열(latent heat of fusion)로서 방출한다.

 

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물의 상변화 종류

 

1) 증발과 응결
  열은 또한 액체가 기체(증기)로 상태변화가 되는 과정 즉, 증발(evaporation)하는 동안에도 포함된다. 증발하는 동안 물 분자들에 의해 흡수된 에너지는 그들이 액체의 표면을 달아나 기체로 되는 데 필요한 이동성을 준다. 이 에너지는 기화잠열(heat of vaporization)이라 하며 이것은 온도에 따라 변하는데, 0°C의 물에서는 약 600 cal(2,500J)/g이고 100°C의 물에서는 540 cal(2,260J)/g이다. 증발 과정에서는 더 빠른 움직임을 갖는 분자들이 표면을 떠난다. 그 결과, 남아 있는 물의 평균 분자운동(온도)은 감소하며 그래서 '증발은 냉각 과정'이라 한다. 수영장이나 욕조에서 몸이 젖었을 때 떨어지는 물방울들의 냉각 효과를 경험했을 것이다. 이 상황에서 물을 증발시키기 위해 사용된 에너지는 우리의 피부로부터 온 것이어서 여러분은 시원하게 느낀 것이다.
  응결(condensation), 즉 역 과정은 수증기가 액체 상태로 변화할 때 발생한다. 응결하는 동안, 수증기 분자들은 증발하는 동안에 흡수된 것과 같은 양의 에너지(응결잠열)를 방출한다. 대기 중에서 응결이 발생할 때, 안개나 구름이 형성된다.

 

  잠열은 많은 대기 과정에서 중요한 역할을 한다. 특히, 수증기가 응결해서 구름방울을 형성할 때, 응결잠열이 방출되고 그 열이 주위 공기를 가열하여 공기 덩이에 부력을 준다. 공기의 수분 함유량이 많을 때, 이 과정은 탑폭풍우 구름의 성장에 박차를 가할 수 있다. 또한 열대 해양에서의 증발한 물이 추후 고위도에서 응결됨으로써 결과적으로 상당한 에너지를 적도에서 극지방으로 이동시킨다.



2) 승화와 침적
  승화(sublimation)란 액체 상태를 거치지 않고 바로 고체가 기체로 변환되는 것이다. 예로 냉장고에서 사용하지 않은 각 얼음이 점차 사라지는 것과 드라이아이스(언 이산화탄소)가 바로 사라지는 작은 구름으로의 빠른 변환 등이 있다.
  침적(deposition)이란 수증기가 고체로 바로 변환되는 역 과정이다. 예를 들면, 수증기가 잔디 또는 창문 같은 고체 물질에 얼음으로 침적되는 것이다. 이들 침적은 흰서리 또는 단순히 서리라 한다. 침적은 응결과 결빙에 의해 방출되는 전체 양과 같은 에너지를 주위에 방출한다.