차가운 컵 바깥에는 왜 물방울이 생길까?

차가운 컵 바깥 표면의 응결을 설명한 생성 삽화입니다.

공기 중 수증기가 차가운 컵 표면에서 액체로 바뀌면 물방울이 맺힙니다. 이 현상을 응결이라고 합니다. 컵의 바깥 표면이 주변 공기의 이슬점보다 차가워지면 응결이 일어날 수 있습니다.

물방울의 출발점은 주변 공기입니다

공기에는 기체 상태의 물인 수증기가 있습니다. 컵에 맺힌 액체 물방울과는 상태가 다릅니다. 흰 김도 작은 물방울이 모여 보이는 것으로, 기체인 수증기 자체와 구별해야 합니다.

차가운 컵 표면 부근에서 수증기가 식어 액체로 바뀌면, 주변 공기에 있던 물이 컵 바깥에 맺힐 수 있습니다. USGS의 응결 설명도 습한 날 차가운 컵 바깥에 생기는 물을 일상적인 응결의 예로 듭니다.

실내 온도와 컵의 표면 온도는 다릅니다

이슬점은 공기 덩어리의 수분량과 압력을 유지한 채 냉각했을 때, 그 공기가 포화 상태에 이르는 온도입니다. 미국 기상청의 이슬점 설명에서 이 조건과 수증기가 액체 물방울로 바뀌는 과정을 확인할 수 있습니다.

찬물을 담은 컵에서는 방 전체의 온도보다 컵 바깥 표면의 온도가 중요합니다. 표면이 주변 공기의 이슬점보다 차가우면 그 부근에서 응결이 일어날 조건이 갖춰집니다. 따라서 방 안 공기 전체의 상대습도가 100%가 되어야 컵이 젖는 것은 아닙니다.

같은 컵도 주변 공기에 따라 달라집니다

이슬점은 공기 속 수증기의 양과 관련이 있습니다. 같은 압력 조건에서는 수증기가 많아질수록 이슬점도 높아집니다. 컵 표면의 온도가 같더라도 주변 공기의 이슬점이 달라지면 응결 조건을 만족하는지가 달라질 수 있습니다. 공기가 건조하거나 표면이 충분히 차갑지 않으면 눈에 띄는 물방울이 생기지 않을 수 있습니다.

상대습도는 현재 기온에서 공기가 포화 상태에 얼마나 가까운지를 백분율로 나타낸 값입니다. 기온이 바뀌면 상대습도도 달라질 수 있으므로, 상대습도가 더 높다는 이유만으로 다른 날보다 공기 중 수증기가 더 많다고 판단하기는 어렵습니다. 미국 기상청의 이슬점과 상대습도 비교도 이 차이를 설명합니다.

한 조건씩 나눠 관찰해 보세요

다음은 컵의 차가움과 물방울의 관계를 살펴보기 위한 관찰 제안입니다. 정확한 습도나 이슬점을 재는 실험은 아닙니다.

1. 컵과 주변 조건을 맞추고 물의 온도를 달리합니다. 같은 종류의 컵 두 개에 비슷한 양의 물을 담되, 하나는 찬물로, 다른 하나는 실온의 물로 준비합니다. 바깥면을 닦은 뒤 같은 방의 가까운 곳에서 같은 시간대에 관찰합니다.
2. 컵 바깥에서 달라지는 부분을 기록합니다. 어느 컵의 어느 부분에 물방울이 맺히는지 비교합니다. 다른 날의 결과와 비교할 때에는 컵의 종류, 물의 차가움과 양, 관찰한 시간 간격도 함께 남깁니다. 여러 조건이 동시에 바뀌면 무엇이 영향을 줬는지 구분하기 어렵습니다.

물방울이 보였다는 사실만으로 정확한 상대습도·이슬점·컵 표면 온도를 알아낼 수는 없습니다. 또한 물방울만 보고 컵이 새지 않는다고 단정할 수는 없습니다. 이런 관찰은 수증기의 액체 변화와 차가운 표면의 관계를 살펴보는 데 쓰고, 측정하지 않은 온도나 습도까지 결과로 적지는 마세요.