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과학퍼즐 / 물에 잠긴 초는 언제 꺼질까

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과학퍼즐 / 물에 잠긴 초는 언제 꺼질까

입력
2000.05.23 00:00
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물컵 바닥에 촛농을 몇방울 떨어뜨려 초를 단단히 세운다. 그리고 초가 물에 잠기지 않을 정도로 물컵에 물을 담은 뒤 초에 불을 붙여보자. 다음 그림 중 어떤 형태까지 촛불이 타내려갈 수 있을까?③ 우리가 흔히 보는 흰색 양초는 1830년 영국에서 발명된 파라핀왁스가 주원료다. 파라핀왁스는 탄소와 수소의 화합물로 끓는점이 섭씨 300도 이상이고 비중은 약 0.9이다.

즉 초의 비중이 물(1)보다 작기 때문에 초는 물에 뜬다. 그래서 물속에 초를 세우려면 촛농을 이용해 초를 물컵 바닥에 단단히 고정시켜야 한다.

초 중앙에는 심지가 박혀있다. 심지에 불을 붙이면 초를 녹이고, 녹은 촛물은 모세관현상에 의해 심지를 타고 위로 올라와 기화된 다음 공기 중 산소와 결합하는 연소 반응을 하면서 열과 빛을 낸다.

초가 잘 타려면 초가 녹는 속도와 촛물이 기화, 연소되는 빠르기가 균형을 이뤄야 한다. 연소되는 것보다 초가 더 빨리 녹으면 초 바깥으로 촛물이 넘쳐내리며 초가 잘 녹지 않으면 촛불이 꺼지고 만다.

그런데 초는 가장자리보다 안쪽이 먼저 녹아 가장자리가 안쪽보다 조금 높다. 그래서 촛물이 바깥으로 흐르는 것을 막아주는 역할을 한다. 그런데 뜨거운 초가 공기(기체)와 접촉해 식는 비율보다 물(액체)과 접촉해 식는 비율이 더 빨라 물속에서 초를 태울 때에는 가장자리는 좀처럼 녹지 않는다.

안정된 물질인 파라핀왁스는 녹는 점이 대략 섭씨 45도에서 65도 사이이며 이보다 낮은 온도에선 녹지 않는다.

그래서 불이 붙은 심지의 위치가 수면 아래로 내려가더라도 꺼지지 않고 계속 타내려 간다. 초가 깊이 타 내려가면 물과 닿은 초 가장자리가 얇은 막으로 된 기둥을 만들어 촛불을 보호한다. 물론 이는 초의 모양과도 관계가 있다.

만일 초가 너무 가늘면, 그리고 상대적으로 촛불의 크기가 크다면 촛불이 직접 가장자리를 녹여버릴 수도 있다. 초가 너무 굵으면 가장자리의 녹지 않은 부분이 너무 두껍게 남아서 그 모양이 얇은 막을 이룰 때처럼 그렇게 아름다워 보이지는 않을지도 모른다.

한가지 더. 출렁이는 불꽃의 매력은 지구의 중력 때문이다. 빛과 열을 내는 기체의 밀도가 공기의 밀도보다 더 작아서 불꽃이 위로 올라가는 것이다.

만일 중력이 없다면 촛불의 불꽃 모양은 어떻게 될까? 미 항공우주국에서는 인공위성에서 촛불 실험도 했다. 무중력 상태에서 촛불의 모양은 지상의 촛불 모양과 사뭇 다르지만(사진참조) 예상할 수 있는 모습을 하고 있다.

/차동우 미 항공우주국

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