온도에 따른 물의 부피 변화는 어떻게 되나요?

물의 특이한 성질 중 하나는 온도에 따라 부피가 변하는 것입니다. 일반적으로 물체는 온도가 올라가면 부피가 늘어나는데, 물은 예외적으로 0℃~4℃ 사이에서는 온도가 올라갈수록 부피가 줄어들고 밀도가 증가합니다.

이 특성은 다음과 같이 설명할 수 있습니다.

• 0℃ 미만: 물 분자는 육방정계 구조를 이루며, 이 구조에서 분자 간 거리는 최소입니다. 온도가 낮아지면서 분자가 더 가까워지고 육방정계 구조가 수축하여 부피가 작아집니다.

• 0℃~4℃: 온도가 0℃에 이르면 물 분자는 사방정계 구조를 형성합니다. 이 구조에서는 분자 간 거리가 약간 늘어나 부피가 약간 증가합니다. 그러나 4℃에 이르면 사방정계 구조가 불안정해지고 부피가 다시 감소하기 시작합니다.

• 4℃ 이상: 4℃ 이상에서는 온도가 올라갈수록 분자 운동이 활발해져 분자 간 거리가 늘어납니다. 그 결과 부피가 증가하고 밀도가 감소합니다.

이러한 특성 때문에 물은 겨울철에 호수나 바다에서 빙하가 형성되는 것을 방지하는 데 도움이 됩니다. 4℃ 이하의 물이 얼어붙을 때 부피가 줄어들어 표면으로 떠오르게 되어 아래의 물을 보호하는 절연체 역할을 합니다.

반면, 온도가 4℃ 이상인 깊은 물은 계속 가라앉아 호수나 바다가 완전히 얼지 않도록 합니다.