차가운 물과 더운 물 온도 실험

§문제인식§
♨ 집에서 목욕을 할 때 욕조에 목욕물을 받았다. 먼저 더운물을 틀었고 나중에 찬물을 넣어 온도를 맞추었다. 그런데 몸을 담그고 몇 분이 지나자 아랫부분이 차가워졌고 더 이상 몸을 담그기엔 너무나 미적지근했다. 그래서 물 표면의 온도를 느껴보니 여전히 뜨거운 온도를 유지하고 있었다. 분명히 잘 섞었고 온도가 비슷한 물이었다. 물의 온도가 왜 달라진 것일까? 또 그 원인은 무엇일까?
§가설설정§
물은 온도에 따라 이동하는 방향이 다를 것이다. ☞ 알고 있는 상식을 활용해 본다면 나 자신 스스로가 충분히 내릴 수 있는 가설이다. 더운물은 위로 가고 찬물은 아래에 내려가기 때문에 물의 온도에 차이가 있었을 것이다. 그런데 왜 온도에 따라 이동방향이 달라지며, 달라지게 하는 직접적인 원인은 무엇인지 잘 모르겠다.
§탐구설계§
※ 찬물과 더운물, 그리고 투명한 수조와 컵을 준비한다…(생략)

1. 찬물(파란색 물감)을 먼저 수조에 붓고 더운물(붉은 색 물감) 넣기

2. 더운물에 찬물 붓기

3. 차가운 물과 더운 물 동시에 붓기

4. ① 찬물(파란색)에 또 다른 찬물(노랑색) 넣어보기

② 더운물(붉은 색)에 또 다른 더운 물(노랑색) 넣어보기

보기로 하는 실험

§탐구수행§

탐구설계에서 정한 네 가지의 경우를 각각 실험하기로 한다.

※ 오차 : 물의 색을 다르게 한 이유는 온도에 따라 이동하는 모습을 직접 확인하려고 했기 때문이다. 그런데 물의 색이 서서히 변화하지 않고 그냥 섞여 버렸다. 그래서 이동을 했는지 온도에 어떠한 변화가 있는지 알아볼 수 없게 되었다.

☆대책 : 탐구설계를 조정하기로 하였다. 수조에 칸막이를 두고 더운물과 찬물을 나누어 논 뒤에 칸막이를 치우는 방법을 이용하여 확실한 결과를 얻게 한다.

§자료해석§

3.에서 하는 것처럼 차가운 물과 더운물을 동시에 넣게 된다면 수조에서 보라색으로 그냥 바로 섞여 버리기 때문에 실험의 의미가 없다. 그리고 1.이나 2.를 무작정 하게 된다면 변화가 뚜렷하지 않기 때문에 이 또한 실험의 의미가 없다. 탐구수행 중 칸막이라는 새로운 변인을 주어 실험을 하고 나니 결과가 확연히 드러났다.

1.의 실험을 하면 먼저 부었던 찬물의 파란색이 수조에 밑으로 서서히 깔리는 것처럼 보이며 위에 빨간 색의 더운물이 조금씩 퍼져 나간다. 시간이 조금 지났을 때에는 윗 부분에 나중에 부어 넣은 빨간 색이 지배적으로 분포하고 있음을 알 수 있다. 이동이 거의 없다고 해도 옳을 것이다. 그러나 시간이 조금 더 경과한 뒤엔 완전히 섞여 버리게 되고 보라색을 띤다.

2.의 실험은 1.과는 조금 다르다. 더운물을 먼저 부운 후 찬물을 붓는 실험 과정인데 칸막이를 치우자마자 1.의 결과와 비슷한 양상을 띤다. 그러나 더운물을 먼저 붓고 찬물을 나중에 붓는 실험에서는 색의 신비한 변화를 볼 수 있는데, 미미하지만 붉은 색의 물의 위로 올라옴을 알 수 있다. 그래서 결국에는 보라색으로 섞이게 된다.

4.의 실험은 순전히 비교를 하기 위한 것이다. 온도는 같지만 색이 다른 두 물은 넣는 순서에 상관없이 혹은 넣는 방법에 상관없이 바로 섞여 버린다.




§결론도출§

물은 온도에 따라 이동 방향의 변화가 있음을 알 수 있다. 더 자세히 알아보니 이것은 단순히 온도가 다른 이유에서 이동의 변화했다고 하는 것이 아니라 열 전도의 차이라 해야 옳음을 알 수 있다.

▷전도
분자들이 가지는 운동에너지를 옆 분자들에게 전달하는 방식으로 열 전달이 이루어집니다.
분자들은 제자리에서 진동만 할 뿐, 마음대로 이동할 수 없습니다.(고체에서의 열 이동)
양측의 온도가 같아질 때까지 진행됩니다. (인터넷 검색으로 얻은 자료)









이처럼 온도가 다른 물의 경우도 전도 현상으로 물의 이동이 변화한 것처럼 보였음을 알 수 있다. 이것은 분자의 이동과도 관련이 있다. 처음에 단순히 온도가 다르기 때문에 물의 이동이 있을 것이라 생각한 것과는 달리 열의 전달 방법인 전도와 분자의 이동이 이처럼 작은 실험 결과에 영향을 미치는 것이다.


위에 붉은 색은 더운물을 나타내고 파란색은 찬물을 나타낸다. 붉은 색 안에 있는 연두색은 분자인데 활발한 움직임을 보이고 있는 것이다. 반면에 찬물은 정돈된 모양의 분자 형태이다. 이렇게 전도현상은 분자들이 가지는 열 에너지의 차이가 전달되는 방식으로 이루어진다. 열 전달은 물의 온도가 같아질 때까지 나타나며 그 시점이 바로 물의 색깔이 보라색이 되었을 때이다. 이로써 물의 온도에 따른 이동은 전도와 분자의 운동과 관련이 있음을 알 수 있다.

『실험 후 느낀 점』

내가 선택한 실험은 간단한 방법으로 할 수 있는 비교적 쉬운 실험이었다. 많은 시간이 걸리지는 않았지만 중간에 색이 섞여버리는 바람에 의도한 결과를 얻을 수 없어 무척 난감했다. 그래서 확실한 결과를 얻기 위해 여러 가지 방법을 찾아보는 과정에서 재미있는 일들이 많이 있었다. 엉뚱한 시도를 해보기도 했었다. 처음엔 재미없는 실험이라 여겨졌던 것이 점차 흥미가 생기기 시작했다.
그리고 처음에 가설을 설정한 것과 달리 과학적인 원리로 접근을 하니 더 많은 것을 실험하면서 알게 되었고 전혀 생각지 못했던 전도현상과 분자에 관한 자료도 많이 접해볼 수 있는 좋은 기회였다. 나의 상식 범위에서 당연히 나올 결과라고 예측한 것이 헛 짚은 것이 되어버렸지만 제대로 알 수 있었다는 데에 깊은 의의를 두고 싶다. 만약에 실험이 아니었다면 나는 아직도 온도가 다르니까 당연히 이동을 달리 하는 거라고 대충 알아두고 있었을 것이다. 이제부터는 관찰하고 의문을 가지며 새로운 시도를 하는 자세를 가져야겠다.