콴타 매거진

2022년 6월 29일

뜨거운 물과 차가운 물이 더 빨리 얼는지 여부는 아직 알려지지 않았습니다.

프란시스 치 / SPL / 사이언스 소스

기고 작가

2022년 6월 29일

가능한 가장 쉬운 실험 중 하나처럼 들립니다. 물 두 컵을 마시고, 하나는 뜨거운 물, 하나는 찬 물입니다. 둘 다 냉동실에 넣고 어느 것이 먼저 얼는지 확인하세요. 상식적으로는 물이 더 차가울 것이라는 점을 시사합니다. 그러나 아리스토텔레스, 르네 데카르트, 프란시스 베이컨 경을 포함한 유명인들은 모두 뜨거운 물이 실제로 더 빨리 냉각될 수 있다는 것을 관찰했습니다. 마찬가지로, 배관공들은 영하의 날씨에 온수관이 터지는 반면 차가운 배관은 그대로 남아 있다고 보고합니다. 그러나 반세기가 넘도록 물리학자들은 이와 같은 일이 실제로 발생하는지에 대해 논쟁을 벌여왔습니다.

뜨거운 물이 찬 물보다 빨리 어는 현상을 현대적으로 지칭하는 음펨바 효과(Mpemba effect)는 1960년대에 물리학자 데니스 오스본(Denis Osborne)과 함께 처음으로 체계적이고 과학적인 연구를 수행한 탄자니아의 10대 소년 에라스토 음펨바(Erasto Mpemba)의 이름을 따서 명명되었습니다. 그들은 효과를 관찰할 수 있었지만 후속 실험에서는 그 결과를 일관되게 재현하지 못했습니다. 동결을 조사하기 위한 정밀 실험은 많은 미묘한 세부 사항의 영향을 받을 수 있으며, 연구자들은 모든 교란 변수를 설명했는지 확인하는 데 종종 어려움을 겪습니다.

지난 몇 년 동안 음펨바 효과가 물에서 발생하는지에 대한 논란이 계속되면서 이 현상은 결정질 중합체, 포접 수화물이라고 불리는 얼음 같은 고체, 자기장에서 냉각되는 망가나이트 광물 등 다른 물질에서도 발견되었습니다. 이러한 새로운 방향은 연구자들이 열역학적 평형을 벗어난 시스템의 복잡한 역학을 들여다보는 데 도움이 됩니다. 비평형 시스템을 모델링하는 물리학자들은 Mpemba 효과가 다양한 재료에서 발생할 것이라고 예측했습니다(차가운 물질이 따뜻한 물질보다 더 빨리 가열되는 반대 현상과 함께). 최근 실험은 이러한 아이디어를 확인하는 것으로 보입니다.

그러나 가장 친숙한 물질인 물은 가장 미끄럽다는 것이 입증되고 있습니다.

"냉동고에 갇힌 물 한 컵은 단순해 보인다"고 캐나다 사이먼 프레이저 대학의 물리학자인 존 베크호퍼(John Bechhoefer)는 말했습니다. 그의 최근 실험은 현재까지 음펨바 효과에 대한 가장 확실한 관찰입니다. "그러나 일단 생각하기 시작하면 실제로는 그렇게 간단하지 않습니다."

"제 이름은 Erasto B. Mpemba입니다. 냉장고를 잘못 사용하여 발견한 사실에 대해 말씀드리겠습니다." 그리하여 Mpemba가 탄자니아의 Magamba 중등학교에서 그와 그의 급우들이 아이스크림을 만들던 사건을 묘사한 1969년 물리학 교육 저널의 논문이 시작됩니다.

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에라스토 음펨바(Erasto Mpemba)는 뜨거운 물이 찬 물보다 빨리 얼는지 여부에 대한 수십 년간의 연구를 시작했습니다.

PA 이미지 / Alamy 스톡 사진

학생들의 냉장고 공간은 제한되어 있었고, 남은 얼음 트레이를 서둘러 가져오느라, Mpemba는 다른 학생들처럼 끓인 우유와 설탕 혼합물이 실온으로 식을 때까지 기다리는 것을 건너뛰기로 결정했습니다. 한 시간 반 후에 그의 혼합물은 얼어붙어 아이스크림이 되었지만, 인내심이 더 강한 친구들의 혼합물은 걸쭉한 액체 슬러리로 남아 있었습니다. Mpemba가 물리학 선생님에게 왜 이런 일이 발생했는지 물었을 때 그는 "당신은 혼란스러워했습니다. 그런 일은 일어날 수 없습니다."라고 대답했습니다.

나중에 Osborne은 Mpemba의 고등학교 물리학 수업을 방문했습니다. 그는 한 십대가 손을 들고 이렇게 물었던 것을 기억했습니다. "동일한 양의 물이 담긴 비커 두 개(하나는 35°C, 다른 하나는 100°C)를 냉장고에 넣으면 100°C에서 시작됩니다. 먼저 멈췄어. 왜?" 흥미를 느낀 Osborne은 Mpemba를 Dar es Salaam에 있는 University College에 초대하여 기술자와 함께 일하면서 Mpemba의 이름을 딴 효과에 대한 증거를 찾았습니다. 그럼에도 불구하고 Osborne은 테스트가 조잡하며 무슨 일이 일어나고 있는지 파악하려면 더 정교한 실험이 필요하다고 결론지었습니다.

수십 년 동안 과학자들은 음펨바 효과를 설명하기 위해 다양한 이론적 설명을 제시해 왔습니다. 물은 액체보다 고체일 때 밀도가 덜하고, 같은 온도에서 고체와 액체가 공존할 수 있는 이상한 물질입니다. 일부 사람들은 물을 가열하면 샘플 내 물 분자 사이의 약한 극성 수소 결합의 느슨한 네트워크가 파괴되어 무질서가 증가하고, 이로 인해 샘플을 냉각하는 데 필요한 에너지의 양이 낮아질 수 있다고 제안했습니다. 좀 더 평범한 설명은 뜨거운 물이 차가운 물보다 더 빨리 증발하여 부피가 줄어들고 그에 따라 어는 데 걸리는 시간이 줄어든다는 것입니다. 차가운 물에는 더 많은 용존 가스가 포함되어 있어 어는점이 낮아질 수도 있습니다. 또는 외부 요인이 작용할 수도 있습니다. 냉동실의 성에 층은 절연체 역할을 하여 차가운 컵에서 열이 새어나가지 않도록 하는 반면, 뜨거운 컵은 성에를 녹여 더 빨리 냉각시킵니다.