물의 밀도가 4도씨에서 최대인 이유

물의 밀도가 4도씨에서 최대인 이유

Why is the maximum density of water at 4℃?

 

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[그림] 온도에 따른 물의 밀도.

( 참고: 물의 밀도 도표 https://ywpop.tistory.com/4869 )

 

 

 

▶ 0℃에서 4℃까지 물의 밀도 증가 (부피 감소)

 

얼음 결정 상태에서 물 분자들은

(물 분자간의 수소 결합 때문에) 규칙적으로 일정한 자리를 차지하고 있는데,

( 그래서 물 분자와 물 분자 사이에는 많은 빈 공간이 존재합니다. )

( 참고: 수소 결합 https://ywpop.tistory.com/2593 )

 

In ice, the water molecules are in a crystal lattice

that has a lot of empty space.

 

 

 

 

[ 그림 출처 Wikimedia ] Crystal structure of ice.

 

 

 

얼음이 녹아 물이 되면 결정 구조가 깨지며,

이로 인해 빈 공간이 사라지기 때문에

전체 부피는 감소(밀도는 증가)합니다.

 

When the ice melts to liquid water,

the structure collapses and the density of the liquid increases.

 

 

 

집이 무너지면, 집을 구성하는 자재들이 차지하는

전체 공간이 감소하는 것과 같은 원리입니다.

 

그런데 이때 얼음의 전체 결정 구조는 깨지지만,

한꺼번에 다 깨지는 것은 아니고,

부분적으로는 결정 구조를 가지는데,

이것을 클러스터(cluster)라고 합니다.

 

즉 0℃에서 4℃까지 점진적으로 서서히

클러스터가 감소하면서, 빈 공간이 감소하기 때문에,

밀도가 증가하는 것입니다.

 

 

 

▶ 4℃ 이후 물의 밀도 감소 (부피 증가)

 

계속해서 물의 온도가 증가하면,

물 분자들의 운동 에너지가 증가하며,

이로 인해 물 분자들이 차지하는 공간이 넓어지기 때문에

전체 부피는 증가(밀도는 감소)합니다.

 

At temperatures well above freezing,

the molecules move faster and get further apart.

The density decreases as temperature increases.

 

 

 

즉 4℃에서 클러스터는 완전히 사라지고,

각각 따로 자유로이 존재하는 물 분자들만 남습니다.

이들 물 분자의 운동 증가로 인해,

4℃ 이후부터는 밀도가 감소하는 것입니다.

 

 

 

Now, let’s cool the water.

 

As the temperature of warm water decreases,

the water molecules slow down and the density increases.

 

At 4 °C, the clusters start forming.

The molecules are still slowing down and coming closer together,

but the formation of clusters makes the molecules be further apart.

 

Cluster formation is the bigger effect, so the density starts to decrease.

Thus, the density of water is a maximum at 4 °C.

 

 

 

 

[ 그림 출처 Wikimedia ] Crystal structure of ice.

 

 

 

 

[ 기사자료 https://www.mbn.co.kr/news/economy/3417677 ] 얼면 부피 늘어나는 ‘물’, 이유를 찾았다

 

 

 

 

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