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물은 정말 100°C에서 끓고 0°C에서 얼까? 우리에게 익숙한 ‘고체·액체·기체라는 물질의 세 가지 상태’는 세상을 이해하기 위한 훌륭한 출발점이지만, 물질의 세계를 모두 설명해주지는 않는다. 온도와 압력 조건을 세밀하게 들여다보면 물은 100℃에서 끓지 않을 수 있고, 0℃에서 얼지 않을 수 있다.

《끓지 않는 물, 얼지 않는 물》은 우리에게 가장 익숙한 물을 출발점으로 삼아, 당연하게 여겼던 물질의 상태를 다시 바라보도록 돕는다. 그 여정을 이끄는 핵심은 물리학의 중요한 분야인 열역학이다. 열과 일, 온도와 압력, 에너지와 엔트로피가 서로 어떻게 작용하는지를 살펴보면서 물질의 상태가 무엇으로 결정되는지 풀어간다. 물은 어떤 온도와 압력을 넘기면 끓지 않고 액체와 기체의 경계가 사라진 초임계유체가 된다. 또 어는점보다 훨씬 낮은 온도인데도 얼지 않는 과냉각수가 된다. 심지어 얼음도 물 분자의 모양과 배열에 따라 서로 다른, 21가지나 발견되었다.

왜 어떤 조건에서는 물이 끓지 않는 걸까? 왜 0°C 이하인데 물이 얼지 않는 걸까? 임계점에 가까워지면 물의 상태는 어떻게 달라질까? 《끓지 않는 물, 얼지 않는 물》을 읽다 보면 자연스레 떠오르는 질문이다. 이 질문에 답을 찾아가다 보면 열역학의 기본 원리를 자연스럽게 이해할 수 있다. 물 한 방울에서 출발해 끓음과 얼음, 임계점과 초임계 상태까지 탐험하는 과정에서, 알고 있다고 생각했던 물질의 세계가 전혀 다르게 보이기 시작할 것이다.

이 책이 보여주는 것은 물과 물질의 신기한 성질만이 아니다. 과학자들이 기존 개념으로 설명되지 않는 현상을 마주했고, 이 개념을 설명하기 위해 새로운 질문을 던지고, 가설을 세우고, 실험과 시뮬레이션을 통해 서로 논쟁하며 지식을 만들어가는 과정도 함께 보여준다.

과학 공부란 익숙한 세계에서 미처 보지 못했던 차이를 발견하고, 더 정교한 언어로 설명해가는 과정이다. 물을 깊이 들여다보는 이 여정을 따라가며 물질에 대한 지식뿐 아니라, 세상을 바라보고 이해하는 시야까지 넓힐 수 있다.

경희대학교 화학공학과 교수. 서울대학교 화학생물공학부를 졸업하고, 동 대학원에서 초임계유체 열역학 연구로 박사학위를 받았다. 대학 시절 모든 전공과목 중 열역학을 가장 어려워했지만 우여곡절을 거쳐 열역학 전공 연구실에 들어갔고, 학과 네 곳에서 열리는 열역학 강의를 섭렵한 끝에 열역학 애호가로 거듭났다. 학위 취득 이후에는 삼성전자 종합기술원에서 반도체 공정 소재를 개발했고, 지금은 대학에서 교육과 연구에 매진하고 있다.

새로운 주제를 공부하고 다른 분야 전문가와 교류하며 기회를 만들어내는 것을 즐긴다. ‘알파고 쇼크’를 계기로 화학공학 연구에 인공지능을 활용하기 위해 고민하던 와중, 계산과학과 인공지능을 초임계유체 열역학에 적용한 경험이 《끓지 않는 물, 얼지 않는 물》의 씨앗이 되었다.

최근에는 과학자·공학자와 고미술 보존 전문가가 모여 고서화의 보존·복원 기술을 개발하는 ‘헤리티지 사이언스’ 프로젝트에 참여하고 있다.

들어가며 삶의 해상도를 높이기 위한 과학 공부 

1 열을 일하게 하다, 증기기관 

2 열과 일은 하나다, 에너지 

3 열과 일은 다르다, 엔트로피 

4 열의 정체, 엔트로피의 정체 

5 물질의 상태: 에너지는 낮게, 엔트로피는 높게

1 제4의 상태 

2 물은 정말 100°C에서 끓을까 

3 끓음은 급격하다 

4 수면에서의 대화 

5 임계점을 향하여 

6 가스와 증기 

7 자석, 물, 기름과 보편성 

8 기포 없이 물 끓이기 

9 임계점의 느낌

1 가장 이상한 물질, 물 

2 질서가 지배하는 상태, 고체 

3 물은 정말 0°C에서 얼까 

4 순수한 물은 얼지 않는다

5 18번째 얼음, 19번째 얼음 

6 무거운 물, 가벼운 물 

7 더 차갑게, 더 빽빽하게 

8 시뮬레이션 전쟁 

9 무인지대를 뚫고 나아가다

나가며 초점 옮기기