와인잔 스월링 후 생기는 와인 눈물 현상 '마랑고니'

안녕하세요 니~킥입니다.

사진 = 과학기술정보통신부

연말연시가 되면 많은 사람들이 모여 송년회와 신년회를 보내지만, 요즘은 소중한 사람과 만나서 소소하게 홈파티를 함께 하는 사람들이 많아졌습니다. 여기에 와인까지 곁들인다면 파티를 더욱 분위기 있게 만들어 줍니다.

 

와인을 즐길 수 있는 방법은 다양합니다. 대부분 와인을 마시기 전 와인잔을 빙빙 돌리는 '스월링'을 하는데, 이는 와인과 산소가 부딪히며 맛과 향을 빠르게 피어나게 합니다. 이렇게 스월링을 하게 되면 와인잔 표면에 묻은 와인이 주르르 흘러내리는 '와인의 눈물'을 볼 수 있습니다. 이 와인의 눈물을 유심히 쳐다보고 있으면 한 번 흐르는 것에 그치지 않고 마치 눈물을 흘리는 듯 계속 흘러내리는 모습을 볼 수 있다고 합니다. 그렇다면 이러한 현상은 왜 발생할까요? 와인의 눈물을 이해하기 위해서는 분자의 움직임과 관련된 몇 가지 현상을 알아야 한다고 합니다. 바로 증발과 표면장력이라고 합니다. 이 현상과 함께 왜 와인이 계속 눈물을 흘리는 지 이유에 대해 알아보겠습니다.

와인잔 스월링 후 생기는 와인 눈물 현상 '마랑고니'

증발

먼저 증발은 우리가 비교적 실생활에서 자주 접하는 현상이기 때문에 익수간 표현입니다. 손세정제 사용 후 시간이 지나면 마르는 현상이나 물에 젖은 빨래를 햇볕에 마르는 현상을 보고 우리는 증발했다고 표현합니다. 이러한 예시를 통해 우리는 액체 상태의 물체가 기체로 변하는 것을 증발이라고 유추해볼 수 있습니다. 하지만, 이 설명은 증발의 의미를 표현하는데 조금 부족합니다. 앞서 표현한 액체가 기체로 변하는 현상은 '기화'라고 하며, 증발은 '끈ㄹ는점 미만의 온도'에서 액체가 기체로 기화하는 것을 말한다고 합니다.

 

앞서 설명한 것처럼 증발은 끓는점 미만의 온도에서 기화가 일어나는 것인데 이 상태는 열에너지가 충분하지 않기 때문에 기화가 되지 않은 것인데, 그렇다고 실생활에서 증발이 일어나지 않는 것도 아니라고 합니다. 100도의 온도가 아니더라도 빨래는 마르고 어항 속의 물은 시간이 지날수록 마릅니다.

자료 = 과학기술정보통신부

이 현상을 이해하기 위해서는 물을 분자 단위로 바라봐야 한다고 합니다. 물은 무수히 많은 물 분자들로 구성되어있는데, 그 양이 어느 정도냐면 18g의 물에는 대량 6×10의 23승만큼의 물 분자로 구성되어 있다고 합니다. 그럼 이렇게 무수히 많은 분자들로 구성되어 있는 물이 컵에 담겨 있다고 가정하고 이를 분자단위로 살펴봅니다. 먼저 내부에 존재하는 물 분자를 보면, 물의 내부에 존재하는 물 분자들은 주변의 물 분자들로부터 완전하게 둘러싸여 있습니다.

 

이와 함께 물 분자는 주위의 물 분자들과 결합되어있기 때문에 모든 방향으로 균일하게 힘이 작용한다고 합니다. 그럼 이제 액체의 표면에 있는 물 분자를 보면, 액체의 표면 아래쪽에 있는 물 분자들이 있어서 힘이 작용하지만 공기와 맞닿아있는 바깥쪽에는 물이 없기 때문에 위쪽에는 작용하는 힘이 없습니다. 이 내용을 정리해보면 표면에 있는 분자들은 내부의 분자들에 비해 이읏한 분자들이 적습니다. 그렇기 때문에 표면의 분자들은 인접한 분자들 간에 잡아당기는 힘이 부족한 상태입니다.

자료 = 네이버 지식백과

여기서 액체 상태의 분자가 기체가 되기 위해 필요한 힘을 알아보면 액체와 액체 서로 인접해 있는 분자까리 결합에너지를 극복할 만큼의 운에너지가 주어질 때 이 결합을 끊고 기체가 될 수 있습니다. 그럼 다시액체 내부의 분자와 표면의 분자를 상가시켜보면 표면의 물 분자가 서로 결합하여 작용하는 힘은 내부의 물 분자에 비해 작음을 알 수 있었습니다. 결합에너지가 작다는 것은 기체가 되는데 필요한 에너지도 작아진다는 의미라고 합니다.

 

그래서 표면의 분자는 주변의 분자가 적어 서로를 잡아당기는 힘이 적기 때문에 끓는점 이하의 에너지로도 천천히 기화를 할 수 있는 것이라고 합니다. 이렇게 적은 에너지로 액체 표면의 분자들이 주위로부터 열에너지를 흡수하여 천천히 기화하는 것을 증방이라고 하고 긇는점에 해당하는 충분한 에너지를 통해 표면의 분자뿐만 아니라 표면 아래 액체 내부의 분자들도 기화하는 것을 '끓음' 이라고 하게 됩니다.

 

표면장력

이를 알짜힘의 고나점으로도 표현할 수 있습니다. 액체의 내부에 있는 물 분자는 주위의 물 분자들과 작용하는 인력과 척력이 평형상태에 있습니다. 알짜힘의 합이 0인 상태인 것인데, 그래서 안정된 상태를 유지한다고 합니다. 하지만, 표면에 있는 물 분자는 아래쪽에는 주위에 물분자가 있기 때문에 액체 내부로 글어당기는 힘이 작용하지만, 이와 균형을 이뤄줄 바깥에서 잡아당기는 인력은 없습니다. 표면 위에는 물 분자들이 없기 때문인데, 그래서 표면에는 액체 내부로 잡아당기는 힘만이 존재하기 때문에 이 힘이 액체의 표면이 수축하려는 표면장력에 해당하는 것입니다. 그래서 물방울이나 비눗방울이 둥근 모양을 띄는 것도 내부로 잡아당기는 힘, 표면적을 최소로 만들려는 힘인 표면장력에 의한 결과라고 할 수 있다고 합니다.

자료 = 과학기술정보통신부

이를 알짜힘의 고나점으로도 표현할 수 있습니다. 액체의 내부에 있는 물 분자는 주위의 물 분자들과 작용하는 인력과 척력이 평형상태에 있습니다. 알짜힘의 합이 0인 상태인 것인데, 그래서 안정된 상태를 유지한다고 합니다. 하지만, 표면에 있는 물 분자는 아래쪽에는 주위에 물 분자가 있기 때문에 액체 내부로 끌어당기는 힘이 작용하지만 이와 균형을 이뤄줄 바깥에서 잡아당기는 인력은 없습니다. 표면 위에는 물 분자들이 없기 때문인데, 그래서 표면에는 액체 내부로 잡아당기는 힘만이 존재하기 때문에 이 힘이 액체의 표면이 수축하려는 표면장력에 해당하는 것이라고 합니다. 그래서 물방울이나 비눗방울이 둥근 모양을 띄는 것도 내부로 잡아당기는 힘, 표면적을 최소로 만들려는 힘인 표면장력에 의한 결과라고 할 수 있다고 합니다.

표면장력의 힘은 눈으로 볼 수 있는 실험도 있습니다. 물이 남긴 그릇에 후춧가루를 뿌려 놓고 그 위에 세제 한 방울을 떨어트리는 실험입니다. 세제를 떨어트리기 전에는 후춧가루가 물 위에 고르게 퍼져있지만 세제를 떨어트리는 순간 세제가 떨어진 위치 중심에서 바깥을 향해 빠르게 퍼지는 것을 볼 수 있습니다. 이러한 현상이 일어나는 이유는 세제가 물의 표면장력을 약하게 만드릭 때문에 기존의 표면장력을 유지하고 있는 바깥쪽 물이 상대적으로 표면장력이 강하기 때문에 바깥쪽으로 힘이 작용하는 것이라고 합니다. 즉, 표면장력을 유지하고 있는 물이 세제가 떨어져 표면장력이 약해진 물을 끌어 당기는 것이라고 합니다.

 

마랑고니 효과

이제 액체에서의 분자의 움직임과 작용하는 힘에 관해 알아보았으니 와인의 눈물 현상이 왜 발생하는지 알아보겠습니다. 다시 한 번 와인의 눈물이 무엇인지 알아보자면 잔에 따른 와인을 스월링 했을 때 와인이 잔안에 맺힌 액체가 위에서 아래로 기둥 모양으로 흐르는 것을 말하는데, 이 모습이 마치 눈물을 흘리는 것 같다고 해서 와인의 눈물이라고 합니다. 뿐만 아니라 이 와인의 눈물은 한 번만 떨어지는 것이 아니라 가만히 나둬도 다시 잔 안에 방울이 생겨서 지속적으로 와인이 떨어지는 과정이 반복된다고 합니다. 보통의 물이나 음료수는 기둥의 모양처럼 잔에 맺힐 수는 있지만, 눈물을 흘리듯이 방울져서 계속 흐르지는 않는다고 합니다. 그렇다면 무엇이 이 다름을 만들게 되는 것일까요?

 

먼저 와인의 눈물이 생기는 전반적인 과정을 그림으로 살펴보면 다음과 같다고 합니다. 간단하게 설명해보면 와인을 수월링 해주었을 때 잔 벽면에 묻은 와인을 향해 와인이 끌어 당겨져서 올라왔다가 무거워서 중력에 의해 떨어지는 과정입니다.

자료 = 삼성디스플레이 뉴스룸

와인의 눈물은 와인이 담긴 잔을 한 번 스월링해주면 발생합니다. 이 때 와인이 든 잔을 돌리게 되면 잔의 벽면에 와인이 묻게 되고 얇은 막을 형성하게 됩니다. 이러한 행동은 액체의 증발을 촉진시켜줍니다. 액체의 증발 속도는 온도, 압력, 밀도, 표면적과 같이 여러 요소에 의해 결정되는데, 그 중에 잔을 돌려 와인 벽면에 묻혀주는 행동은 액체의 표면적을 높여주고 공기의 흐름을 크게 만들어주는 행동이라고 합니다.

 

먼저 와인이 와인잔에 가만히 담겨있을 때 보다 스월링을 해주면 와인이 공기와 접촉하는 표면적이 넓어지니 증발이 빠르게 일어나게 됩니다. 이와 함께 잔을 흔들어주면 바람이 부는 것과 같습니다. 이는 수증기의 밀도 즉 습도를 낮게 만들어줍니다. 공기는 물이 증발했을 때 품을 수 있는 수증기의 양이 한정되어 있습니다. 그래서 습도가 너무 높으면 증발이 일어나지 않습니다. 그렇기 때문에 공기의 흐름 즉 바람을 만들어주면 액체 바로 위에 수증기가 담긴 공기가 건조한 공기로 빠르게 대체 될 수 있기 때문에 바람을 불면 증발이 빠르게 일어날 수 있는 것이라고 합니다. 이는 손소독제가 통 안에 담겨있을 때는 증발이 잘 안되지만 손소독제를 손에 얇게 펴바르고 손을 흔들면 손소독제가 빠르게 증발하는 것과 같은 원리라고 합니다.

자료 = 과학기술정보통신부

그럼 이를 통해 와인이 든 잔을 돌리면 벽면의 와인이 빠르게 증발하는 것을 알게되었는데, 그 다음 작용하는 원리는 액체의 종류에 따른 증발 속도입니다. 우리가 알고 있듯이 와인은 물과 알콜의 혼합물입니다. 그렇기 때문에 이 두 액체의 증발속도는 다릅니다. 바로 물보다 알콜의 증발속도가 더 빠릅니다. 이는 우리가 손을 씻고 났을 때 손에 물이 묻은 상황과 손소독제를 손에 발랐을 때 두 상황에서 물보다 손소독제가 빠르게 증발하는 예시를 통해 이해할 수 있습니다. 물보다는 알콜이 증발이 빠르게 진행됩니다. 이를 통해 잔 벽면에 묻은 와인은 증발이 빠르게 일어나는데, 특히 와인 속 알콜이 빠르게 증발하는 것입니다. 이렇게 되면 13% 도수를 가진 와인이 있을 때 수월링을 하면 잔 벽에 묻은 와인은 알콜이 빠르게 증발해서 대략 알콜이 12% 포홤된 와인이 될 것입니다.

자료 = 과학기술정보통신부

여기서 중요한 요소가 등장합니다. 바로 물과 알콜의 표면장력 차이입니다. 액체의 종류마다 증발 속도가 다르듯이 액체의 종류마다 표면장력의 힘도 다릅니다 여기서 작용하는 액체는 물과 알콜 뿐인데, 각각의 표면장력을 비교해보면 물을 알콜보다 큰 표면 장력을 갖고 있습니다. 그래서 기존 알콜 도수가 13%인 와인보다 벽에 묻은 알콜 도수가 12%인 와인의 표면장력이 더 강한 것입니다. 표면장력이 약한 알콜이 더 조금 들어 있기 때문입니다.

자료 = 과학기술정보통신부

이렇게 기존 와인과 벽에 묻은 와인의 표면장력 차이는 액체를 이동시키게 합니다. 앞서 설명한 후춧가루와 세제를 활용한 예시처럼 더 강한 표면장력을 가진 액체가 약한 표면장력을 가진 액체를 끌어당기는 것인데, 이를 통해 표면장력 차이를 해소하려는 것입니다. 그래서 잔에 담은 와인은 끌어당겨져 벽면을 향해 이동하게 되는 것이라고 합니다. 이러한 현상을 마랑고니 효과라고 합니다. 표면장력이 다른 두 용액이 접할 때 이 표면장력 차이를 해소하기 위해 물질간의 이동이 일어나는 현상을 말하는 것이라고 합니다.

이렇게 마랑고니 효과에 의해 와인은 위로 올라가고 다시 알콜이 증발하게 되면 표면장력의 차이에 의해 또 와인이 올라가고 이러한 과정이 계속해서 반복될 것입니다. 이렇게 와인이 계속 올라가게 되면 와인이 벽면에 많이 모여 무거워지는데, 그래서 마랑고니 효과에 의해 밀려올라가는 힘보다 중력에 의해 떨어지려는 힘이 이기는 순간 벽에 붙은 와인이 아래로 떨어지게 되는 것이라고 합니다. 이렇게 와인의 눈물이 생기게 되는 것이라고 합니다.

 

이러한 마랑고니 효과는 와인을 즐기는 사람들에게 신기한 현상이기도 하지만 이 효과는 다른 속에서도 발견할 수 있다고 합니다. 쿠바 아바나대학과 미국 럿거스대학의 물리학 연구팀은 찻잔에 주전자 물을 붓는 예시를 보여 주었는데, 찻잔에 주전자의 물을 부으면 잔 안의 물질이 주전자 안으로 역류하지 않을 것이라고 생각하지만 마랑고니 효과로 인해 찻잔의 입자가 중력을 거스르고 역류해서 위로 올라갈 수 있다고 밝혔다고 합니다.

 

이러한 현상은 수로를 통해 깨끗한 물이 흘러나와 오염된 물이 담긴 곳으로 떨어질 때도 마랑고니 효과로 인해 오염된 물이 깨끗한 물이 담긴 소조로 역류하여 수조를 오염시킬 수 있음을 보여주었다고 합니다.

 

자료 = 과학기술정보통신부

 

 

 

그럼 여기까지 와인잔 스월링 후 생기는 와인 눈물 현상 '마랑고니'에 대해 알아보았습니다.

감사합니다.