촛불과 관련한 물리 공부
촛불과 관련한 물리 공부
우리가 늘 보고 있는 불에 대해서 한번 깊이 생각해 보고 공부하는 시간을 갖겠습니다. 인간은 아주 오래전 불을 사용하게 되면서부터 생활에 큰 변화가 나타났을 것이라고 추측합니다. 도대체 그들은 어떻게 불이라는 것을 알게 되었을까요? 어쩌면 번개가 치면서 자연적으로 생겨난 이 불이 인간이 경험한 최초의 불일 수도 있겠습니다. 여러분이 그 원시인류, 불이라는 것을 처음 본 사람이라고 생각해 보십시오. 과연 어떤 느낌이 들까요? 이글거리며 움직이는 무서운 괴물처럼 보여 가지고 도망을 가실 수도 있겠죠. 아니면 태양신이 내려보낸 전령이라고 생각했을 수도 있겠습니다. 어쨌든 이렇게 불은 굉장히 독특하고 신비스러운 존재입니다. 들판에 활활 타고 있는 불은 위험하니까 대신 여기 초 한 자루에 불을 붙여 봅니다. 오늘날 한국 사람들에게 촛불은 매우 익숙한 것일 수도 있겠지만 지금은 여러분이 태어나서 처음으로 이 불이라는 것을 보게 되었다고 생각하십시오. 그런 낯선 눈으로 한번 촛불을 관찰해 보십시오. 무엇이 보입니까? 그리고 어떤 의문이 드십니까?.
초의 화학적 구성
초는 파라핀이라는 분자로 이루어져 있습니다. 파라핀은 이렇게 생겼는데요. 여기 까만 것은 탄소 그리고 흰 것은 수소입니다. 실제 분자에서는 이 수소끼리 최대한 서로 멀어지려고 하기 때문에 이런 식으로 입체적인 구조를 갖게 됩니다. 이런 파라핀 분자가 100개, 1,000개, 1,000,000개. 이렇게 수없이 많이 모여서 붙어있으면 우리가 알고 있는 양초가 됩니다. 파라핀 분자끼리는 아주 약한 힘으로 서로 붙어 있습니다. 그래서 여러분이 쉽게 분리할 수 있습니다. 여러분이 양초를 손톱으로만 눌러도 쉽게 떨어지는 이유가 바로 그 때문입니다 이 방향으로는 이렇게 쉽게 분리가 됐지만 이 가로 방향 분자 내부의 결합은 상당히 강하기 때문에 이쪽으로 절단하기는 쉽지 않습니다. 고체였던 양초가 따뜻해지면서 이 파라핀 분자가 서로 자유롭게 움직이기 시작하고 우리가 이것을 액체 상태의 파라핀이라고 합니다. 온도가 더 올라가면은 이 파라핀 분자끼리 완전히 분리되면서 기체 상태가 돼서 공중으로 떠오릅니다. 여러분이 촛불을 끄면 하얀 연기를 보신 적이 있을 겁니다. 하얀 연기가 솟아오르는데 이게 바로 기체 상태가 된 파라핀을 여러분이 눈으로 보고 있는 겁니다. 이 기체 상태가 된 파라핀을 향해서 다른 분자들, 주변에 공중에 뜬 다른 분자들이 날아와서 부딪힙니다. 예를 들어서 이런 산소 분자가 빠른 속도로 날아와서 강하게 부딪히면 아까 말씀드린 탄소와 탄소 사이의 결합이 깨어질 수가 있고요. 탄소와 수소 사이에 결합도 깨어집니다. 동시에 산소와 산소 사이의 결합도 깨지면서 산소가 낱개 원자로 쪼개집니다. 가만두면 탄소가 다시 원래 자리로 가서 붙을 수도 있지만 대부분의 경우에는 이 탄소 한 개와 산소 두 개가 결합을 해서 CO2. 우리가 아는 이산화탄소라는 것을 만들어 낼 수가 있고요. 또, 여기는 수소 두 개가 산소 한 개랑 결합을 해가지고 H2O. 우리가 물이라고 하는 것을 만들어 냅니다. 편의상 파라핀 대신 이런 간단한 메탄 분자를 가지고 설명을 해 보겠습니다. 이 메탄은 방귀에 포함된 가스로 알려져 있는데 파라핀과 마찬가지로 탄소와 몇 개의 수소로 이루어져 있습니다. 이 메탄이 다른 분자와 충돌하면 마찬가지로 산소 분자가 각각의 원소들로 또 이 메탄이 각각의 원소들로 분리가 됩니다. 탄소와 수소도 친하지만, 탄소와 산소는 더욱더 친합니다. 그래서 이 둘이 붙을 때 점점점 속도가 빨라지고요. 이때 우리가 '에너지가 생긴다'라고 말을 합니다. 이게 뭐하고 유사하냐면 탄소와 수소가 서로 가까워지려고 하는 경향이 마치 우리가 자석과 쇠 구슬이 서로 붙으려고 하는 것과 유사합니다. 이것들이 가까워지면 가까워질수록 속도가 점점 빨라지고요. 이렇게 붙으면서 큰 소리가 나고 움직임이 활발해지는데 이런 것이 바로 에너지가 커졌다고 말하는 의미입니다. 그래서 또 우리가 영화에서 보면 연인 둘이서 멀리서 서로를 확인하고는 상대방을 향해서 막 달려가서 껴안는 그 에너지가 이 두 사람을 빙빙빙 돌리는 상황을 만들어내죠. 이런 것과 비슷하다고 상상하시면 되겠습니다.
탄소와 산소의 결합으로 인한 에너지 증가
탄소와 산소가 결합하기를 원할수록 또 수소와 산소 사이를 당기는 힘이 강할수록 여기서 많은 에너지가 생겨나고요. 이 에너로로 인해서 주변에 다른 분자들을 더 강하게 때리고 다니면서 다른 분자들을 또 분해하게 되는 현상이 일어납니다. 이렇게 우리는 연소라는 것이 탄소와 수소가 산소와 결합해서 이산화탄소와 물을 만들면서 주위에 에너지를 방출하는 현상으로 이해할 수 있습니다. 그리고 이 에너지는 주로 열과 빛으로 방출된다.라고 우리가 이해하고 있습니다. 이렇게 산소와의 결합이 격렬하게 이루어지는 현상 또는 그 장소를 보고 우리는 '불'이라고 부르는 것입니다. 이것이 과학이 밝혀낸 불의 본질입니다. 아까 말씀드린 파라핀이나 메탄. 이런 것도 상당히 상당히 안정한 물질입니다. 하지만 이들과의 결합으로 만들어진 이산화탄소나 물은 이보다 더 안정한 물질이라고 할 수 있습니다. 이를 나무토막에 비유하자면 아직 타기 전의 파라핀과 산소는 서 있는 나무토막에 해당하고요, 거기서 결합된 이산화탄소와 물은 누워있는 나무토막에 해당합니다. 그래서 불이 붙는다는 것은 이 정도로 약간 안정했던 물질이 더 안정한 물질로 변화되는 과정이다. 이렇게 생각할 수 있는 거죠. 자 나무 도마 한 개를 넘어뜨리는데 1의 에너지가 필요하다고 합시다. 그럼, 여기에 다섯 개의 블록이 있을 때 이걸 모두 넘어뜨리려면 총얼마의 에너지가 필요할까요? 일반적으로는 5의 에너지가 필요하겠다.라고 생각할 수도 있겠지만 만약에 이들이 서로 충분히 가까이 있었다고 하면은 우리는 처음 1의 에너지를 가지고 모든 것을 넘어뜨릴 수가 있습니다. 촛불에서도 바로 이런 도미노 현상이 일어납니다. 처음 파라핀을 분해하기 위해서는 상당한 에너지를 가해줘야 되지만 한번 이것들이 산소가 결합하는 과정에서 3이라는 에너지가 나와서 바로 그다음 단계에 필요한 에너지를 충분히 공급할 수 있기 때문입니다. 주변에 탈 물질과 산소만 존재한다면 이렇게 불은 연쇄 반응으로 계속됩니다. 처음에 불을 붙이는 일은 굉장히 까다롭지만 한번 붙기 시작하면 불은 빠르게 번져나갑니다. 그래서 시작하기도 어렵지만 일단 커져버리면 멈추기도 어려운 것이 불이라고 할 수 있죠. 여러분은 아마 중학교 때 '연소의 조건'에 대해서 배웠을 겁니다. 탈 물질 존재, 산소 존재 그리고 발화점 도달 이렇게 세 가지를 배웠겠죠. 불의 본질을 생각해 보면 이는 너무 당연한 이야기입니다. 저는 예전에 가스레인지 불을 보면서 '왜 불이 가스관 안으로 빨려 들어가서 모든 가스를 한꺼번에 태우지 않을까?' 이렇게 개인적으로 궁금했던 적이 있습니다. 이런 가스레인지를 사용할 때도 마찬가지죠. 그런데 이 끝에 불을 붙인다고 하더라도 이 가스통 안에는 산소가 없으니까, 이 안에 불꽃이 만들어질 수가 없는 것입니다. 산소만 가득 들어있는 산소통도 마찬가지로 안에 탈 물질이 없으니까 폭발하지 않습니다. 그렇다면 만일 하나의 통에 산소와 부탄가스를 같이 넣어두면 어떻게 될까요? 그건 굉장히 위험한 통이 됩니다. 왜냐면 여기 작은 불꽃만 붙여주면 커다란 폭발이 일어날 수가 있기 때문입니다. 불을 끄기 위해서는 이 앞에서 말씀드린 3가지 조건 중에 하나만 제거하면 됩니다. 쉬운 예로 우리가 물을 뿌리게 되면 물이 타던 물질을 재빨리 식혀가지고 발화점 이하로 낮춰버리는 효과가 있어서 불의 연쇄반응이 억제됩니다. 동시에 물이라는 막이 주변을 둘러싸서 산소가 다가오는 것을 차단하는 효과도 있습니다 촛불 같이 작은 불의 경우에는 이렇게 입김을 불어서 끌 수 있습니다. 입김을 불면 한참 기체 상태로 존재하던 파라핀 분자들을 저 멀리 날려 버리기 때문에 탈 물질을 없애는 효과를 줍니다. 게다가 우리 날숨에서 나오는 게 이산화탄소기 때문에 불을 이산화탄소로 감싸서 주변 산소가 오는 것을 막는 효과도 생기죠. 이 불에 부채질을 해도 비슷한 효과가 생기지만 입김과는 다르게 주변에 신선한 산소를 여기로 밀어줘서 불이 잘 일어나도록 만드는 효과가 동시에 생기기도 합니다. 그렇기 때문에 큰 불의 경우에는 바람으로 끄는 것이 불리한 거죠. 이렇게 불이라는 것이 무엇인지, 그 안에서 어떤 일이 일어나는지 대략 알게 되었다면 이제 여러분이 불을 보면서 앞에서 가졌던 의문에 대해서 어느 정도 대답할 준비가 된 것입니다.