드라이아이스(dry ice)

<드라이아이스>

  이산화 탄소를 상온에서 67기압 이상으로 압축하면 액체로 응축된다. 압축 이산화 탄소를 작은 구멍을 통하여 대기 중으로 분출시키면 주울-톰슨 효과에 따라 온도가 급격히 떨어지면서 눈송이 모양의 미세하나 분말이 만들어진다. 이 분말을 뭉친 것을 '드라이아이스'라고 한다. 이산화 탄소의 온도를 -57 ℃로 낮추게 되면 5.11기압의 압력에서도 액화가 일어난다. 

  드라이아이스는 영하 79.6 ℃에서 밀도가 1.56 g/cm³로 물보다 크다. 그러나 드라이아이스의 고운 가루는 이산화 탄소가 승화하면서 빠른 속도로 기체가 발생하기 때문에 물 위에 떠 있게 된다. 드라이아이스는 상압에서 온도가 매우 낮지만 액체로 변하지 않고 직접 기체로 승화하는 특성을 가지고 있어서 냉매로 유용하게 사용된다.

  큰 덩어리의 드라이아이스 표면에서는 이산화 탄소의 승화가 매우 빠른 속도로 일어나고 있기 때문에 공기 중의 수분이 쉽게 응축되지 않는다. 곱게 부순 드라이아이스 가루는 0.05 % 이하의 수분이 포함되어 있다. 그러나 드라이아이스와 접촉해서 차가워진 물체의 표면에는 공기 중의 수분이 쉽게 응축된다.

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<저온 상태>

  온도가 낮아지면 분자의 운동이 느려지게 되고, 화학적 변화의 속도도 감소한다. 일반적으로 온도가 10 ℃ 떨어지면 화학 반응의 속도는 절반으로 줄어들게 된다. 냉장고에 음식물을 넣어 두면 상하지 않는 것도 바로 그런 이유 때문이다. 낮은 온도를 유지하는 것은 식품을 오랫동안 보관하고, 천연가스를 110 K에서 액화하여 운반하는 등의 실용적인 목적뿐만 아니라, 분자의 상태를 정확하게 관찰하기 위한 목적으로도 매우 중요하다.

  얼음과 물을 이용하면 0 ℃ 정도의 낮은 온도를 유지할 수 있고, 얼음물에 소금과 같은 물질을 넣으면 온도를 조금 더 낮게 만들 수 있다.. 쉽게 액화되는 암모니아는 기화열이 크기 때문에 펌프로 압축한 암모니아를 기화시키는 장치를 사용해서 냉장고나 에어컨을 만들 수 있지만, 암모니아는 유독하고 냄새가 심하기 때문에 원양어선이나 대형 냉동 창고에서만 사용하고 있다.

  1930년대 듀퐁에서 개발된 플루오르 화합물인 '프레온'은 냄새가 없고, 인화성과 부식성이 없는 무색의 안정한 기체로 암모니아를 대체할 수 있는 우수한 냉매임이 밝혀져서 가정용 냉장고와 에어컨이 전세계적으로 보급될 수 있었고 현대의 식생활과 주거 환경의 개선에 크게 기여하였다. 프레온은 향수와 같은 화장품의 분출제, 스타이로폼 등의 생산에 사용되는 발포제, 또는 컴퓨터 기판의 세척제로 매우 중요하게 활용되어 왔다. 그러나 프레온에 포함되어 있는 염소가 성층권의 오존층을 파괴하는 것으로 밝혀져서 염소가 포함되지 않는 프레온(CFC 대체 물질)의 개발이 시급하게 필요하게 되었다.

  1877년에 산소 기체를 액화시켜 -183 ℃의 낮은 온도를 얻을 수 있게 되었고, 곧이어 -196 ℃(77 K)의 액체 질소가 만들어졌으며, 1895년에는 40 K의 낮은 온도까지 내려갈 수 있었고,, 1908년에는 헬륨을 액화시켜서 4.2 K까지 내려가는 기술이 개발되었다. 1911년 액체 헬륨을 이용한 실험에서 전기 저항이 0이 되는 '초전도성(superconductive)이 밝혀졌고, 훨씬 높은 온도에서도 초전도 현상이 나타나는 세라믹이 개발되고 있다.