3. 상전이

3-1. 고체, 액체, 기체 — 물질의 상태 변화

얼음은 왜 물 위에 뜰까?

잠깐, 당연한 걸 물어본다고 생각했는가? 다시 생각해보자.

거의 모든 물질은 고체가 액체보다 더 무겁다(더 정확히는, 밀도가 높다). 고체 상태에서 분자들이 더 촘촘히 모여 있으니까 당연한 이야기다. 그런데 물은 정반대다. 얼음이 물보다 가볍다. 그래서 겨울에 호수 표면이 얼어도 그 아래에서 물고기가 살 수 있다. 만약 얼음이 물보다 무거웠다면, 호수는 바닥부터 꽁꽁 얼어붙어 지구의 생태계는 완전히 다른 모습이었을 것이다.

이 하나의 사실만으로도 우리는 깨달을 수 있다: 물질의 상태라는 것은 단순히 "딱딱하다/흐른다/날아다닌다" 이상의, 훨씬 깊은 이야기를 품고 있다는 것을.

더 놀라운 질문을 던져보자. 물은 왜 100°C에서 끓는가? "물은 원래 100도에서 끓으니까"라고 답한다면 — 그것은 답이 아니다. 왜 하필 100도인가? 그리고 산꼭대기에 가면 100도가 아니라 더 낮은 온도에서 끓는다는 사실을 알고 있는가? 에베레스트 정상에서는 약 70°C에서 물이 끓는다. 같은 물인데 왜?

이 절에서 우리는 이 질문들에 답할 것이다. 그리고 그 과정에서, 물질이 고체·액체·기체라는 세 가지 얼굴을 가지는 진짜 이유 — 분자들의 끊임없는 줄다리기 — 를 이해하게 될 것이다.