물은 정말 100°C에서 끓고 0°C에서 얼까? 우리에게 익숙한 ‘고체·액체·기체라는 물질의 세 가지 상태’는 세상을 이해하기 위한 훌륭한 출발점이지만, 물질의 세계를 모두 설명해주지는 않는다. 온도와 압력 조건을 세밀하게 들여다보면 물은 100℃에서 끓지 않을 수 있고, 0℃에서 얼지 않을 수 있다.

『끓지 않는 물, 얼지 않는 물』은 우리에게 가장 익숙한 물을 출발점으로 삼아, 당연하게 여겼던 물질의 상태를 다시 바라보도록 돕는다. 그 여정을 이끄는 핵심은 물리학의 중요한 분야인 열역학이다. 열과 일, 온도와 압력, 에너지와 엔트로피가 서로 어떻게 작용하는지를 살펴보면서 물질의 상태가 무엇으로 결정되는지 풀어간다. 물은 어떤 온도와 압력을 넘기면 끓지 않고 액체와 기체의 경계가 사라진 초임계유체가 된다. 또 어는점보다 훨씬 낮은 온도인데도 얼지 않는 과냉각수가 된다. 심지어 얼음도 물 분자의 모양과 배열에 따라 서로 다른, 21가지나 발견되었다.

왜 어떤 조건에서는 물이 끓지 않는 걸까? 왜 0°C 이하인데 물이 얼지 않는 걸까? 임계점에 가까워지면 물의 상태는 어떻게 달라질까? 《끓지 않는 물, 얼지 않는 물》을 읽다 보면 자연스레 떠오르는 질문이다. 이 질문에 답을 찾아가다 보면 열역학의 기본 원리를 자연스럽게 이해할 수 있다. 물 한 방울에서 출발해 끓음과 얼음, 임계점과 초임계 상태까지 탐험하는 과정에서, 알고 있다고 생각했던 물질의 세계가 전혀 다르게 보이기 시작할 것이다.

이 책이 보여주는 것은 물과 물질의 신기한 성질만이 아니다. 과학자들이 기존 개념으로 설명되지 않는 현상을 마주했고, 이 개념을 설명하기 위해 새로운 질문을 던지고, 가설을 세우고, 실험과 시뮬레이션을 통해 서로 논쟁하며 지식을 만들어가는 과정도 함께 보여준다. 과학 공부란 익숙한 세계에서 미처 보지 못했던 차이를 발견하고, 더 정교한 언어로 설명해가는 과정이다. 물을 깊이 들여다보는 이 여정을 따라가며 물질에 대한 지식뿐 아니라, 세상을 바라보고 이해하는 시야까지 넓힐 수 있다.
물에 관한 상식을
열역학으로 다시 들여다보다

물은 정말 100℃에서 끓고, 0℃에서 얼까? 우리는 물질에 고체·액체·기체라는 세 가지 상태가 있다고 배운다. 물은 0℃에서 얼어 얼음이 되고, 100℃에서 끓어 수증기가 되는 것도 익숙한 사실이다. 하지만 이처럼 깔끔한 설명만으로는 물질의 세계를 온전히 이해하기 어렵다.
《끓지 않는 물, 얼지 않는 물》은 우리에게 가장 익숙한 물을 출발점으로 삼아 그동안 당연하게 여겼던 ‘물질의 상태’라는 개념을 다시 살펴본다. 그 여정을 이끄는 핵심은 물리학의 중요한 분야인 열역학이다.
물을 깊이 살펴보면, 물질은 고체·액체·기체라는 세 가지 범주를 넘어 다양하고 흥미로운 모습을 가지고 있다는 사실을 알게 된다. 물은 100℃가 되었다고 반드시 끓지 않으며, 0℃ 아래로 내려갔다고 꼭 얼어붙는 것도 아니다. 압력과 온도에 따라 액체와 기체가 사라지는 순간 초임계유체가 나타나고, 어는점 아래에서도 얼지 않고 존재하는 과냉각수도 있다.
‘온도가 낮을 때와 높을 때 물질의 상태가 달라지는 이유는 무엇일까?’ ‘액체가 끓는다는 것은 정확히 어떤 현상일까?’ ‘액체와 기체를 구분하는 경계는 어디에서 사라질까?’ ‘임계점 너머에서는 어떤 일이 일어날까?’
이런 질문을 따라가다 보면 물질의 상태는 단순히 온도에 따라 결정되는 것이 아니라, 에너지와 엔트로피, 온도와 압력의 상호작용 속에서 결정되는 것?임을 알게 된다. 고체·액체·기체라는 익숙한 분류 역시 복잡한 물질세계를 이해하기 위한 하나의 모델일 뿐이라는 점도 깨닫는다.

끓지 않는 물에서 얼지 않는 물까지,
과학자들의 논쟁을 따라가다

새로운 현상을 발견하는 것만큼 중요한 것은 그 현상을 설명할 이론과 방법을 만들어내는 일이다. 《끓지 않는 물, 얼지 않는 물》은 초임계유체와 과냉각수를 둘러싼 과학자들의 연구와 논쟁을 따라가며 과학이 실제로 어떻게 발전하는지를 알려준다.
초임계유체를 둘러싼 연구에서 시작된 ‘끓음’에 대한 탐구가 극저온의 과냉각수와 물의 이상한 성질을 이해하는 데까지 이어졌는데, 이후 과냉각수의 성질을 설명하면서 과학자들 사이에 치열한 논쟁이 벌어졌다. 과학자들은 시뮬레이션과 실험 방법을 발전시키며 보이지 않는 영역까지 다가갔다. 과냉각수를 컴퓨터 시뮬레이션한 두 과학자가 10년에 걸쳐 서로 다른 결과를 놓고 논쟁하다가, 각자 사용한 프로그램을 서로 교환해 직접 검증하기에 이른 이야기는 과학 연구의 치열함을 생생하게 보여준다.
과학이란 기존의 설명으로 이해되지 않는 현상을 발견하고 새로운 질문을 만들며, 가설과 이론과 실험을 끊임없이 검증하는 과정이다. 《끓지 않는 물, 얼지 않는 물》은 바로 그 과정을 ‘물’과 ‘열’에 관해 공부하며 배워간다.

세상을 더 자세히 보는 것,
그리고 무엇에 초점을 맞출지 아는 것

이 책에서 물질의 상태를 이해하는 일은 곧 세상을 바라보는 방식에 대한 이야기로 확장된다. 처음에는 고체·액체·기체 세 가지 상태로만 보이던 물질이, 초임계 상태와 다양한 얼음, 과냉각수와 액체의 상분리 가능성까지 품고 있다는 사실을 알아간다. 과학 공부란 이처럼 이전에는 하나로 뭉뚱그려 보던 것을 더 세밀하게 구별하고, 기존의 범주만으로 설명할 수 없던 현상에 새로운 개념과 이름을 부여하는 과정이다.
하지만 과학자가 언제나 가장 높은 해상도로 세상을 바라보는 것은 아니다. 냄비의 물을 끓일 때 초임계유체를 생각할 필요는 없다. 과학적 사고란 모든 것을 자세히 보는 능력이 아니라 무엇을 구별하고, 무엇을 단순화하며, 언제 초점을 옮겨야 하는지를 판단하는 능력?이기도 하다.
《끓지 않는 물, 얼지 않는 물》은 물의 ‘끓음’과 ‘얼음’을 이해하는 데에서 시작해 열역학과 물질의 상태, 과학적 모델과 논쟁의 세계로 이끈다. 그리고 익숙한 현상을 한 단계 더 깊이 들여다보는 순간, 당연한 상식이라고 생각했던 세계가 얼마나 다양하고 복잡한지를 깨닫게 만든다.