추울 때 입김이 나오는 이유는 무엇일까?

입김이 나오는 이유

추울 때 입김이 나오는 이유

추운 겨울날, 길을 걷다 '하'하고 숨을 내쉬면 눈앞에 하얗게 입김이 생기게 됩니다. 이를 보며 '아, 겨울이 왔구나'를 체감하게 되죠. 그렇다면 당연하게 여겼던 겨울철 입김은 어떠한 과정으로 생기게 되는 것일까요?

입김을 한마디로 정의하자면, 몸속의 공기가 차가운 바깥공기와 만나 액체가 되고 그것이 우리 눈에 보이는 현상입니다. 이처럼, 공기(기체)가 물방울과 같은 액체가 되는 현상을 액화(液化, liquefaction)라고 합니다. 물이 얼음이 되는 것은 흔히 언다고 표현하고 자주 봐왔는데, 공기가 액체가 되는 것은 어떻게 설명할 수 있을까요?

기체가 액체가 되는 것, 액화

앞서 말했다시피 액화(液化, liquefaction)란 기체의 상태인 물질이 특정한 원인으로 인해 액체인 상태로 변화하는 것을 의미합니다. 혹은 반대로, 고체가 녹아 액체가 되는 현상도 액화라고 합니다. 한마디로 액체화가 되었다는 의미입니다. 간단한 예시를 들자면, 수증기라는 기체가 물이라는 액체가 되는 것도 액화이고, 얼음이라는 고체가 녹아서 물이라는 액체가 되는 것도 액화입니다.

고체, 액체, 기체

그렇다면 한 가지의 물질이 어떻게 고체가 되었다 액체가 되고, 액체에서 기체가 될 수 있는 것일까요? 이를 알기 위해서는 고체, 액체, 기체의 차이점을 이해해야 합니다.

모든 물질은 원자라는 가장 작은 단위로 이루어져 있습니다. 우리 눈에 보이지 않을 정도로 작지만, 이러한 원자들이 모이고 모이게 되면 우리 눈에 보이는 큰 사이즈의 물체가 되는 것이죠. 이때, 원자들끼리 결합하여 성질을 가지는 하나의 단위가 되는데, 이를 분자라고 부릅니다. 사실 원자 자체로는 큰 특징을 가지지 못하지만, 어떻게 결합하여 분자가 되느냐에 따라 각기 다른 성질을 띠게 되는 것입니다. 예를 들어 우리가 흔히 아는 물은 산소원자 1개와 수소원자 2개가 결합한 형태의 분자입니다. 산소원자 하나와 수소원자 하나로는 물의 형태를 가지지 못하지만, 정확히 산소원자 1개와 수소원자 2개가 결합했을 때에만 비로소 물이라는 물질이 되는 것입니다. 이러한 물 분자들이 셀 수도 없을 정도로 많이 모여있을 때, 우리가 관찰할 수 있는 정도의 양의 물이 됩니다. 실제로, 물 한 방울에 담긴 물 분자의 개수는 100,000,000,000,000,000,000개라고 합니다. 그렇다면 물 한 컵에 담긴 분자의 양은 수없이 많겠죠?

고체, 액체, 기체

고체, 액체, 기체라는 물질의 상태는 앞서 살펴본 분자들의 거리에 의해 결정됩니다. 물을 예시로 들자면, 고체인 얼음이 될 것이냐 액체인 물이 될 것이냐, 아니면 기체인 수증기가 될 것이냐는 물 분자들 사이의 거리에 의해 결정된다는 의미입니다. 만약, 물 분자들끼리 가깝게 붙어 있다면 분자들 사이의 결합이 센 고체(얼음)가 되는 것이고, 그보다는 약하지만 적당한 형태를 유지하며 붙어있다면 액체(물)가 되는 것입니다. 하지만, 분자 사이의 거리가 너무 멀어 자유분방해진다면 그때는 기체(수증기)가 되는 것입니다.

그렇다면, 고체에서 액체로, 액체에서 기체로 혹은 기체에서 액체, 액체에서 고체가 되기 위해서는 어떤 조건이 필요할까요? 우리는 물을 통해 그 정답을 알고 있습니다. 물을 얼려 고체로 만들기 위해서는 냉동실이라는 차가운 곳에 넣어 얼리고, 이 얼음이라는 고체를 물로 만들기 위해서는 열을 가해주면 됩니다. 그렇다면 우리는 어떻게 열을 가하거나 혹은 차갑게 하여 상태를 바꿀 수 있을까요?

쉽게 설명하자면, 고체-액체-기체로 갈수록 더 많은 에너지를 필요로 합니다. 고체인 얼음에서 액체인 물이 되려면 에너지가 필요하고, 그래서 우리는 열을 가해 에너지를 공급하게 되죠. 그리고 액체인 물에서 기체인 수증기가 되기 위해서는 열을 가해 에너지를 공급하게 됩니다. 반대로, 기온이 낮아지게 되고 물질의 온도를 차갑게 해 준다면 열심히 뛰어놀던 분자들은 에너지를 잃고 점점 더 가깝게 붙게 됩니다. 이 과정에서 기체가 액체가 되고, 액체가 고체가 되는 것이죠.

정리하자면, 입김은 우리 몸속에서 나온 기체가 바깥의 차가운 공기에 의해 에너지를 잃으며 액체가 되고, 그 과정에서 우리 눈에 하얗게 보이는 것입니다.