음펨바 효과
Mpemba effect
1. 개요
'''뜨거운 물이 차가운 물보다 더 빨리 어는 현상.''' 상식적으로 이해하기 힘들고 그만큼 드물지만 엄연히 관측되는 현상이며, 동시에 오래도록 이유가 명확히 밝혀지지 않은 '''물리학의 난제 중 하나이다'''.
당연히 모든 조건에서 뜨거운 물이 더 빨리 어는 것은 아니며, 그릇 모양이나 불순물의 유무 등 각종 변수에 따라서 이 효과가 관측될 수도, 그렇지 않을 수도 있다. 덕분에 실험을 하더라도 효과를 재현하기가 일단 쉽지 않은 것도 하나의 난점인데, 일단 《뉴 사이언티스트》에 따르면 섭씨 35도와 5도의 물을 각각 비교할 때 효과가 극대화된다는 모양. 또한 음펨바 효과를 엄밀하게 정의하려면 "언다"는 것이 정확히 무엇인지("언다"에 대한 학설 제시), 섭씨 0도에 도달한 순간인지(어는점 도달설), 얼음 결정이 만들어지는 순간인지(결정 생성 시작설), 아니면 물이 완전히 고체가 되는 순간인지(결정 생성 완료설)를 먼저 정의할 필요가 있다. 일견 쉬워 보이는 과학 문제가 그렇듯이, 파고들자면 전혀 쉬운 문제가 아니다. 참고로 하나의 정의를 두고 도출 가능한 모든 단계로 분해해서 샅샅이 훑는 사고 과정을 '''법학적 사고방식(legal mind)'''이라고 한다.
혹한기에 지붕 등에 쌓인 눈이나 얼음을 빠르게 처리하려고 뜨겁게 데운 물을 썼다가 봉변을 당한 적이 있다면 이 효과의 피해를 입은 것이라 할 수 있다. 녹으라고 끼얹은 물이 되려 얼어서 상황을 악화시키는 것.
2. 역사와 발견
음펨바 효과라는 현상 자체는 상당히 옛날부터 알려져 왔던 것으로 보인다. 아리스토텔레스는 이 현상을 "어떤 극단적인 성질일수록 그 상반되는 성질을 더욱 강하게 하는" 안티페리스타시스(antiperistasis)라는 법칙의 예로 보았다.[1] 아리스토텔레스 시대의 과학 이론들이 으레 그렇듯이 이 역시 현대 과학의 관점에서는 말도 안되는 설명이지만, '''이걸 발견했다'''는 것 자체에 초점을 두자.[2] 근대에 들어서는 프랜시스 베이컨이나 르네 데카르트 등이 이 현상을 기록한 바 있지만, 역시 적절한 설명은 내놓지 못했다.
이렇게 잠깐잠깐 언급되다가 잊히기를 반복하던 현상을 현대 물리학의 난제로 되살려 놓은 사람이 탄자니아의 에라스토 음펨바(Erasto Mpemba). 음펨바는 1963년 중학교 요리 시간에 아이스크림을 만들다가 덜 식은 채로 냉장고에 집어넣은 아이스크림이 식혀서 집어넣은 것보다 더 빨리 어는 것을 보고 의문을 품었다. 이후 고등학교에 진학한 음펨바는 학교에 강연을 온 물리학자 데니스 오스본(Dr. Denis G. Osborne)에게 질문했는데, 교사와 친구들은 비웃었지만 오스본은 이를 직접 실험해보고 1969년에 음펨바와 함께 논문을 발표했다. 데니스 오스본은 음펨바의 이름을 넣지 않고 자신의 이름으로만 발표할 수 있었지만 함께 논문을 발표한 것으로 그의 도덕성과 진정한 과학자의 모습을 엿볼 수 있다. 이후 음펨바는 국제 연합 식량 농업 기구의 아프리카 삼림 및 야생동물위원회에서 일했다.
3. 원인
음펨바의 발견 이후 음펨바 효과를 설명하기 위한 다양한 이론들이 등장했지만, 오래도록 명확한 설명은 없었다. 어린이용 과학책 등에는 으레 '''뜨거운 물이 증발하면서 열을 빼앗아가기 때문'''[3]이라는 식으로 쉽게 설명하지만, 그렇게 쉬운 문제였으면 애초에 난제라고 불리지도 않았을 것이다. 이외에도 아래와 같은 설명들이 제기되어 왔다. 하지만 정확한 이유는 없고 안될때도 많아 난제라고 하는 것이다.
- 뜨거운 물은 대류현상이 더욱 활발해, 물 안쪽까지 고르게 냉각이 시작되게 만든다.
- 차가운 물 표면에는 서리가 끼어 단열 효과를 일으킨다.
- 차가운 물은 과냉각[4] 현상을 더욱 쉽게 일으킨다.
- 녹아 있는 이온의 영향.
- 차가운 물에는 기체가 더욱 잘 녹는데, 이 때문에 대류의 경향이 바뀐다.
- 물 분자의 수소결합과 공유결합에 관련된 설명.
# 싱가포르 난양 공과대학교의 순장칭 교수와 장시 박사팀은 2013년 11월 발표한 논문에서 음펨바 현상의 원인을 수소 결합과 공유 결합의 상관관계에서 찾은 연구결과를 발표했다.
우선 하나의 물분자는 산소 원자 하나와 두 개의 수소 원자가 공유 결합으로 연결되어 이루어진다. 그런데 각 물 분자들은 수소 결합이 제공하는 약한 힘에 의해 또 다시 연결되는데, 이 힘은 한 물 분자의 수소가 다른 물 분자의 산소에 근접할 때 발생한다.
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논문에 따르면, 저온에서는 물 분자들 사이의 수소 결합이 물 분자들을 끌어들이면서 물 분자 내부에 자연적인 척력이 발생하고 이로 인해 각각의 물 분자 내에 존재하는 산소 원자-수소 원자간 공유 결합의 길이가 길어지는데, 이를 위해서 에너지를 필요로 한다는 사실에 주목했다. 길어진 공유 결합을 유지하기 위해 그만큼 더 많은 에너지를 가져야하는 것. 하지만 고온에서는 물 분자들의 간격이 넓어지면서 수소 결합이 길어진다. 수소 결합의 방해가 사라졌으니 척력도 없어져 물 분자 내부의 산소 원자와 수소 원자 사이의 공유 결합 길이가 짧아지면서 결합 유지에 필요한 에너지를 제외하고 남는 에너지를 방출한다는 사실을 밝혀냈다.
여기서 중요한 것은, '''공유 결합이 에너지를 방출하는 것은 본질적으로 냉각 과정과 동일하다는 것'''[5]으로 물은 가열하면 특이하게도 공유 결합 길이를 줄이는 것으로 에너지를 내놓는다. 따라서 이러한 상태에서 뜨거운 물과 찬 물을 동시에 냉각하면 '''뜨거운 물은 잉여 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 속도는 물이 지닌 초기 에너지 상태에 따라 달라진다"고 설명했다.
2020년 8월에는 Nature 지에 Exponentially faster cooling in a colloidal system이라는 논문이 실리게 되는데, 음펨바 효과가 물에서만 나타나는 현상이 아니라는 것을 밝혀내었다.
[1] 예를 들어 불같이 화를 내던 사람이 더 빨리 차분해지는 것.[2] 고대의 문헌을 접근할 때에는 항상 시대적 환경 또는 제약을 고려해야 한다. 특히 아리스토텔레스는 서양에서 후대에 그의 설명이 절대화된 적이 있어서, 이를 극복하는 과정에서 과도하게 까이는 사례가 정말 많다.[3] 때로는 여기에 물이 증발하며 양이 줄어들어서 더 쉽게 어는 것이라는 설명이 곁들여지기도 한다.[4] 어는점 아래에서도 액체 상태를 유지하는 것. 이 상태에서 충격을 받으면 즉시 냉각이 시작된다.[5] 물체가 액체에서 고체가 되면 응고열을 방출한다. 물은 가열되면 공유 결합을 유지하는데 에너지가 적게 들어서, 남는 에너지를 밖으로 내놓는 것이다.