음펨바 효과

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42.9°C의 물과 18.6°C의 물 그래프

음펨바 효과(Mpemba effect)는 특정한 상황에서 고온의 이 저온의 보다 더 빨리 어는 현상 또는 그 효과를 말한다.[1][2] 과학 관련 잡지에서는 이 현상을 확인하고 싶은 경우, 그 효과가 최대화되는 섭씨 35도와 섭씨 5도의 로 실험할 것을 권장하고 있다.

발견[편집]

음펨바 효과는 탄자니아의 에라스토 음펨바(Erasto B. Mpemba)의 이름을 딴 것이다. 발견자인 음펨바는 마감바 중학교에서 당시 3학년이던 1963년에 이 현상을 처음으로 보게 되었다. 음펨바는 아이스크림을 만드는 것을 배우는 조리 수업 중에 관심에 대한 갈망이 많은지라 냉장고를 차지하기 위해 냉장고를 훔친 후 우유설탕혼합용액을 그대로 식히지도 않고 뜨거운 상태로 냉장고에 넣어 얼렸는데, 다른 학생들이 아주 화난 모습으로 자신에게 달려오는 것을 발견하게 되었다. 그 후 음펨바는 안전을 위해 이린가의 음카와 중학교로 전학했다. 음카와 고등학교에서는 교장이 다르에스살람에 있는 대학으로부터 데니스 오스본 박사를 불러 물리학의 강연을 했는데, 이 강연이 끝난 후 음펨바는 "같은 부피인 35도의 물과 100도의 물을 냉동실에 넣었더니, 뜨거운 100도의 물이 먼저 얼었습니다. 왜 그렇습니까?"라고 반친구들로부터 조롱거리가 되었던 질문을 해 보았다. 처음에는 오스본 박사도 반신반의하였으나 후에 대학으로 돌아와 음펨바의 발견을 검증하여 음펨바와 함께 1969년 연구 결과를 정리하여 출판했다.[3]

복잡계 문제[편집]

냉각 과정에 있는 물의 상태를 온도라는 단 하나의 인자로 나타내도 괜찮은 것인가 하는 문제도 있다. 보다 정확한 기술을 위해서는 물에 대한 온도 분포를 생각할 필요가 있다. 몬웨아 젱(Monwhea Jeng)은 이 문제에 관해서

해석이 몹시 복잡해진다. 왜냐하면 우리는 온도라는 하나의 인자가 아니라 온도장을 생각하여, 한층 더 해석에 필요한 전산 유체 역학과 매우 복잡하게 얽혀 있기 때문이다[4]

이 효과는 열전도의 문제이며, 연속체 역학에 근거한 이동현상의 관점에서 연구를 진행하는 것이 적합하다. 열 수송을 편미분방정식으로 해석한다면, 물의 평균 온도 등 몇가지 적은 수의 인자만 고려해서는 계의 움직임을 기술하기에 충분하지 않다. 계의 기하학적인 세부사항이나 유체의 특성, 온도장이나 흐름장 등 다양한 조건이 계의 움직임에 지극히 복잡한 영향을 줄 수 있기 때문이다. 단순화된 열역학에만 기초하여 분석하면 음펨바 효과는 직관에 반대되는 것처럼 보인다. 그렇지만 이것은 물리학 문제에 접근할 때 적절한 변수들을 모두 고려해주어야 한다는 것을 말해주고 있다.

과학 평론가 필립 볼2006년 잡지 《물리학 세계》(Physics World)에 기고한 기사에서 "문제는 이 현상을 효율적으로 재현하는 것이 매우 어렵다는 데 있다. 이는 이 현상이 나타나기도 하고, 나타나지 않기도 하기 때문이다. 또한 만약 음펨바 효과가 올바르다고 해도, 현상을 해석하는 것이 일반적인 것에 그칠지, 아니면 훌륭한 발견이 될지는 분명하지 않다."라고 했다.

역사[편집]

고대의 아리스토텔레스, 근세의 프랜시스 베이컨, 르네 데카르트 등의 과학자들이 이와 비슷한 현상에 대해 알고 있었을 가능성이 있다. 아리스토텔레스는 그가 안티페리스타시스(antiperistasis)라고 부르는 "어떤 성질의 강도는 상반되는 성질에 둘러싸일 때 더욱 높아질 수 있다."라는 잘못된 특성 개념으로 이해하였다.

이유[편집]

싱가포르 난양기술대학의 순장칭 교수와 장시 박사팀은 저온에서는 물 분자들 사이의 수소결합이 인력을 발생시켜 이로 인해 물 분자 내에서 산소 원자-수소 원자의 공유결합은 길어지면서 에너지를 축적하지만 고온에서는 물 분자들의 간격이 넓어지면서 수소결합은 길어지고 산소원자와 수소원자 사이의 공유결합 길이는 짧아지면서 에너지를 방출한다는 사실을 밝혀냈다. 뜨거운 물은 축적된 에너지 양이 많아 냉각시 더 빠른 속도로 에너지를 방출하게 되는 것이다.

연구팀은 각각의 물 초기 온도를 다르게 한 뒤 냉각시 에너지 방출량을 측정하는 방식으로 음펨바 효과를 입증했다. 순장칭 교수는 "물이 에너지를 방출하는 과정과 그 (에너지방출)비율은 본질적으로 각각의 물이 지닌 초기 에너지 상태(온도에 따른 분자 간격)에 따라 달라진다"고 설명했다.

비슷한 효과[편집]

각주[편집]

  1. Burridge, Henry C.; Linden, Paul F. (2016). “Questioning the Mpemba effect: Hot water does not cool more quickly than cold”. 《Scientific Reports》 6: 37665. Bibcode:2016NatSR...637665B. PMC 5121640. PMID 27883034. doi:10.1038/srep37665. 
  2. Tao, Yunwen; Zou, Wenli; Jia, Junteng; Li, Wei; Cremer, Dieter (2017). “Different Ways of Hydrogen Bonding in Water - Why Does Warm Water Freeze Faster than Cold Water?”. 《Journal of Chemical Theory and Computation》 13 (1): 55–76. PMID 27996255. doi:10.1021/acs.jctc.6b00735. 
  3. Mpemba, Erasto B.; Osborne, Denis G. (1969). “Cool?”. 《Physics Education》 4 (3): 172–175. Bibcode:1969PhyEd...4..172M. doi:10.1088/0031-9120/4/3/312.  republished as Mpemba,, Erasto B.; Osborne, Denis G. (1979). “The Mpemba effect” (PDF). 《Physics Education》 14 (7): 410–412. Bibcode:1979PhyEd..14..410M. doi:10.1088/0031-9120/14/7/312. 
  4. Jeng, Monwhea (2006). “Hot water can freeze faster than cold?!?”. 《American Journal of Physics》 74 (6): 514–522. Bibcode:2006AmJPh..74..514J. arXiv:physics/0512262. doi:10.1119/1.2186331. 

외부 링크[편집]