비누를 전자레인지에 넣으면 어떻게 될까

전자레인지에 넣어서 특이한 현상을 관측할 수 있는 몇몇 제품들이 있습니다. 포도를 넣었을 때 빛이 나는 현상 등이 그런 현상인데 그 중 눈에 띄게 신기한 현상이 관측되는 제품중 하나가 바로 '비누'입니다. 특히 P&G사의 아이보리 비누를 전자레인지에 넣고 일정시간 가열을 하게 되면 솜사탕처럼 부풀어오르는 현상을 볼 수 있는데 바로 여기에도 재미있는 과학적 원리가 숨어있다고 합니다. 전자레인지에 들어가서 일정시간 가열된 비누가 보이는 극명한 변화를 이해하기 위해서는 기체의 열팽창에 대한 이해가 필요합니다. 열팽창(thermal expansion)이란 물질에 열을 가하면 그 부피가 커지는 현상을 말하는 것으로 이는 물질을 구성하고 있는 입자들이 열로 인해 운동에너지가 커지면서 생기는 현상이죠. 이러한 ‘열팽창’은 고체와 액체뿐 아니라 기체에도 발생하는데 기체에서 발생하는 열팽창은 고체, 액체와는 다른 특별한 성질이 있어 특이한 점을 관측할 수 있습니다. 보통 기체는 액체와 고체보다 훨씬 더 자유롭고 활발하게 운동을 하고 있습니다. 더군다나 액체나 고체와는 달리 기체의 부피는 정해져 있는 것이 아니기 때문에 기체는 속한 공간에서 자유롭게 운동을 하게되죠.이런 특성때문에 넓은 공간안에 존재하는 기체는 서로 매우 멀리 떨어져 있고, 고체나 액체 상태와 비교해 이들 사이에는 잡아당기거나 미는 힘이 거의 없다고 말할 수 있습니다. 그래서 고체나 액체와 달리 약간의 외부의 힘만 가해져도 기체의 부피는 쉽게 변하는 특성을 가지고 있는 것이죠. 이런 이유로 기체의 큰 영향을 미치는 외부의 힘중 하나인 온도가 변할 때 기체는 큰 영향을 받게 되는데 이 현상을 조사한 영국의 과학자 보일(Robert Boyle)과 샤를은(Jacques Alexendre charles) 기체의 부피가 온도에는 비례하고 압력에는 반비례하여 변한다는 것을 발견하였습니다. 특히 샤를의 법칙은 기체의 온도가 1℃ 올라가면 0℃일 때보다 기체는 1/273만큼 부피가 증가한다는 것을 말하는 것으로 다음과 같이 표현이 됩니다. 여기서 V0는 온도가 0℃일 때 부피를 나타내는 기호이고 t는 기체의 온도, Vt는 t℃일 때의 부피를 나타내는 기호이죠. 이 법칙은 기체의 온도가 1℃ 상승할 때마다 부피는 1/273씩 팽창하고 반대로 기체의 온도가 1℃ 하강하면 기체의 부피는 1/273씩 수축한다는 것을 말하고 있습니다. 그리고 이것이 바로 오늘의 주제와 밀접한 관련이 있습니다. 사실 우리가 사용하는 아이보리 비누는 거품에서 시작을 했습니다. 이 거품을 모은 뒤 공기를 주입하는 방식으로 만든것이 흔히 우리가 아는 P&G사의 아이보리 비누이죠. 그런데 거품은 액체를 아주 빠른 속도로 젓거나 이산화탄소와 섞인 액체에 압력을 가할때 생성이 되는데 이런 이유로 거품에는 액체나 기체가 섞이게 됩니다. 즉, 비누안에는 액체(물)과 기체(공기)가 공존하고 있는 상태가 되는 겁니다.이렇게 기체를 함유하고 있는 비누를 전자레인지에 넣고 가열을 시작하게 되면 샤를의 법칙에 의해 1도가 올라갈 때마다 부피가 커지게 되는 것이죠. 더군다나 함유하고 있는 물도 기화가 되면서 부피는 더더욱 커지게 되는 것입니다. 바로 이런 이유로 전자레인지에서 가열된 이런 비누들은 솜사탕처럼 부피가 커지게 되는 것입니다. 반대로, 공기를 포함하고 있지 않는 비누는 약간 녹으면서 거품이 일지만 크게 부풀어오르지 않는 것을 알 수 있는데 그 이유도 똑같이 보일 샤를의 법칙때문인 것이죠.