물의 상태

물은 고체(얼음), 액체, 기체(증기) 이 세 가지 상태로 존재합니다. 물의 상태는 물 분자를 끌어당기는 분자 간 힘과 그것을 분리시키려는 운동 에너지에 따라 달라집니다.

분자 간 힘이 운동 에너지보다 클 때 물이 동결됩니다. 대부분의 다른 물질과는 달리, 물은 액체 상태보다 고체 상태일 때 밀도가 낮습니다. 이는 각 물 분자가 각각의 물 분자가 네 개의 분자와 결합할 수 있어 간격을 둔 4면체 조직을 형성하기 때문입니다. 물의 이러한 특성은 얼음이 뜨게 만듭니다. 얼음을 떠다니지 않으면 물이 바닥에서부터 얼어 수생 생물들을 죽이겠지요.

운동 에너지가 열 형태로 얼음에 적용되면 얼음이 액체 상태의 물로 녹습니다. 이 상태에서, 물 분자 사이의 결합은 끊임없이 깨지고 다시 형성됩니다. 얼음이 녹을 때 물의 온도는 얼음이 전부 액체가 될 때 까지 융점에 머물러 있습니다. 그리고 모두 액체가 되었을때에만 융점 이상으로 온도가 증가합니다.

운동 에너지가 분자 간 힘을 압도하면서 따라 액체 상태의 물(또는 얼음)은 기체로 변합니다. 액체상태의 물에서 증기를 생성하는 과정은 기화(vaporization)라고 합니다. 운동 에너지의 증가는 같이 샘플 내부에서 끓는 것 같이 발생하거나 표면에서 물이 증발하듯 발생할 수 있습니다. 기체가 액체 상태를 거치지 않고 고체에서 직접 기체로 변하는 과정을 승화(sublimation)라고 합니다. 이러한 변화는 낮은 기압에 따라 발생하며 낮은 기압은 운동 에너지의 영향을 증가시킵니다.

운동 에너지가 떨어지면 증기는 응축(condensation)이라는 과정을 통해 액체로 변하거나 탈승화(deposition 또는 desublimation)라는 과정을 통해 고체로 바로 변환될 수 있습니다. 응축은 비를, 증착은 눈을 설명합니다.

다른 생체적합성(biocompatible)이 있는 행성을 찾는데 있어 물의 존재, 특히 액체 형태의 물은 중요한 쟁점입니다. 엔켈라두스(Enceladus)는 남극에 물줄기나 간헐천이 있는 얼음으로 덮인 토성의 위성입니다. 엔켈라두스의 물줄기가 증기와 얼음을 운반하는 것으로 밝혀졌기에 처음엔 엔켈라두스가 얼음 아래에 액체 물을 가지고 있는지에 대한 많은 논쟁을 일으켰습니다. 하지만 토성 주위를 도는 위성과 여러 단서들이 엔켈라두스에 거대한 액체 바다가 존재한다는 것을 암시하여 잠재적으로 생명체가 살 수 있는 행성인 가능성을 열어두었습니다.