손의 열로 뿜어 올리는 액체 분수

온도와 압력의 관계를 느끼는 시간

우리 생활 속에서 분수를 볼 때처럼 물줄기가 위로 뿜어지기 위해서는 전기나 펌프와 같은 수단에 의해 물줄기를 밀어 올려야 하는데 여기 물이 저절로 차오르다가 분수로 나오는 과학 장난감이 있습니다. 위의 사진과 같이 유리병 두 개를 포개어 높은 모습의 장치의 아랫부분을 손으로 감싸면 아래에 있는 색소 물이 위로 차오르다가 위쪽 유리병까지 올라가다가 유리병 속의 유리관에서 분수를 뿜어 올리는 현상을 아이와 관찰하면 아이는 빨간 물이 뿜어져 나오는 분수의 모습에 흥미를 보이게 마련입니다.

과거에는 보통 뜨거운 물에 담갔다 꺼낸 탁구공에 바늘로 구멍을 낸 후 찬물에 넣었다가 꺼내서 뜨거운 물을 부어주면 탁구공에서 물이 뿜어져 나오는 체험으로 같은 내용의 과학 실험을 했었는데 보다 간편한 형태로 제작이 된 장난감이라고 볼 수 있습니다. 이 장난감도 같은 원리로 유리병을 손으로 감쌀 때 손에 있던 열에 의해서 밀폐된 아래 유리병 속의 기체가 데워지면서 압력이 높아지면서 유리병 속의 액체를 밀어 올리고 그 액체가 위쪽 유리병 속의 유리관을 계속 밀려 올라가다가 그 끝의 좁은 틈으로 나오면서 분수와 같이 물줄기를 뿜어내는 것입니다.

사실 어린 아이들은 눈에 보이지 않는 기체의 존재를 이해하기는 어렵고, 초등학교에 다니는 아이들은 물체의 상태 중 기체에 대해서 학교에서 배운 지식을 가지고 이 현상을 관찰하게 될 것입니다. 눈에 보이지 않는 기체는 고체와 같이 모양을 가지고 있지도 않지만 분명히 존재한다는 것을 이해시키고 열에너지가 전달되면 기체 알갱이가 활발히 움직이면서 압력이 늘어난다는 과정까지 대화를 통해 유도하면 좋을 것 같습니다.

그러기 위해서 이 장난감을 통한 과학 홈스쿨링을 하기 전에 풍선을 입으로 분 다음 풍선을 부풀게 한 것, 풍선에 채워져 있는 것에 대해서 질문을 던지고 풍선 속에 있는 기체를 느낄 수 있도록 해 주도록 합니다. 그리고 그 풍선을 찬물에 넣어 본 후의 모습과 뜨거운 물에 넣어 본 후의 모습을 비교하면서 풍선의 부피가 달라진 것을 확인하게 하면서 기체가 열을 받았을 때 부피가 팽창하는 이유는 기체를 이루는 알갱이들이 열에너지를 받아서 활발하게 움직이기 때문에 압력이 늘어나서 부피가 늘어나는 과정을 느낄 수 있게 해 주면 좋을 것입니다.

생활 속에서 기압을 느끼는 사례도 찾아보자

이제 액체 분수를 본격적으로 체험을 시작하는데 이때 가급적 액체 분수를 시원한 곳에 두고 있다가 실험을 해야 실험 결과가 잘 나타난다는 점을 유의하셔야 합니다. 온도 차이에 의해  압력 변화가 크게 나타나기 때문인데, 만약 따뜻한 곳이나 여름철 더운 날씨에서 실험을 하면 사실 손에 있는 열로 인해 온도 차이가 크게 나지 않기 때문에 액체가 위로 올라가는 속도가 더뎌져서 결과가 잘 나타나지 않게 됩니다. 그리고 체험 후에 바로 반복하여 실험할 수 없고 액체가 다시 아래 유리병으로 빠져나갈 때까지 기다려야 하므로 시간이 걸릴 수 있다는 점도 체험에 참고해야 할 점입니다.

사실 기체의 온도와 압력의 관계는 학교 교육과정에서 중학교에서 학습하는 과정이기 때문에 너무 깊고 자세히 탐구하기에는 아직 이를 수 있습니다(게다가 유리병이라는 소재가 어린 유아들에게는 안전상의 문제를 야기할 수도 있으니까 바람직하지 않을 것입니다). 그러니까 기체가 존재하고 기체는 온도가 높아지면 움직임이 활발해지면서 압력(주위의 물체를 미는 힘)이 높아진다는 정도까지만 이해시켜도 좋을 것입니다. 이러한 부분에 주안점을 두고 이 과학 장난감에 대한 홈스쿨링을 하면서 마무리 단계에서는 생활 속에서 느낄 수 있는 기체나 공기의 압력에 대해 설명해 주고 관련된 자료를 조사하게 하면 아이가 많은 것을 배울 수 있으리라 생각합니다.

예컨대 높은 산에 올라가면 기압이 낮아진다거나 매일 날씨 예보에서 설명하는 저기압과 고기압이 무슨 의미를 가지는지 등 기압에 대해서 설명할 것은 우리 주위에 참 많습니다. 아울러 기체의 압력이 보기보다 센 힘을 가지고 있어서 그 힘을 이용하여 무거운 물체도 들어 올리는 에어 콤프레셔 같은 장치도 생활 속에 이용하고 있다는 점을 아이들이 조사를 통해 알게 된다면 이 액체 분수 장난감 하나로 상당히 중요한 과학적 개념을 익힐 수 있는 기회를 얻는 셈입니다.