뜨거운 물이 더 빨리 어는 음펨바 효과

 

 

간단히 말해서 뜨거운 물은 매우 추운 환경에서 공기 중으로 방출될 때 땅에 떨어지기 직전에 어는데, 이것을 음펨바 효과 Mpemba effect라고 한다.

 

음펨바 효과(Mpemba effect)는 같은 냉각 조건에서 고온의 물이 저온의 물보다 더 빨리 어는 현상 또는 그 효과를 말한다. 이는 35℃ 물과 5℃ 물로 실험하였을 때 비교효과가 극대화된다. 1963년 탄자니아의 에라스토 음펨바(Erasto B. Mpemba)가 처음 발견했다고 해서 붙은 명칭이다. 이런 현상이 발생하는 원인이 50년간 풀리지 않다가 2013년 11월 싱가포르 연구진에 의해 물의 수소결합과 공유결합의 에너지 상관관계에 의한 현상임이 밝혀졌다.

 

음펨바 효과

 

음펨바 효과는 탄자니아의 에라스토 음펨바(Erasto B. Mpemba)의 이름을 딴 것이다. 발견자인 음펨바는 마감바 중학교에서 당시 3학년이던 1963년에 이 현상을 처음으로 발견하게 되었다. 음펨바(Erasto Mpemba)는 학교에서 끓는 우유와 설탕을 섞어 아이스크림을 만드는 실습을 하고 있었다. 원래 아이스크림을 만들 때는 혼합 용액을 충분히 식힌 다음에 냉동실에 넣어 얼려야 한다.

 

실습실의 냉동고에는 자리가 충분하지 않았고, 음펨바는 냉동고의 자리를 차지하기 위해 채 식지 않은 혼합용액을 그대로 냉동실에 집어넣었다. 얼마 후 냉동실 문을 열어보았는데, 충분히 식힌후에 넣은 다른 학생의 아이스크림보다 자신의 아이스크림이 먼저 얼어 있는 것을 발견하였다. 옴펨바는 같은 실험을 여러차례 해보았으나 동일한 결과를 얻었다. 이런 사실을 인근 대학의 물리학자인 오스본(Denis G. Osborne) 교수에게 알렸다. 오스본 교수는 실험을 통해서 뜨거운 물이 차가운 물보다 더 빨리 언다는 사실을 확인하게 되었으나 그 원인은 알 수 없었다. 아무튼 오스본 교수의 연구팀은 실험 결과를 1969년 ‘Physics Education’저널에 게재하였다(vol 4, p.172-175). 이후에도 오랫동안 그 원리가 밝혀지지 않자 2012년 영국왕립화학회가 음펨바 현상의 원인 규명에 1000파운드의 상금을 걸기도 했다.

 

원인 분석 

 

원인은 2013년 11월 싱가폴 남양이공대학 쑨장칭, 시장 교수 연구팀에 의해 물의 수소결합과 공유결합의 에너지 상관관계에 의한 현상임이 밝혀졌다.[4][9] 물 분자 사이 수소결합으로 인해 하나의 물 분자를 이루고 있는 각각의 수소 원자, 산소 원자의 공유결합은 분자들을 가까이 붙일 때 길어지며 에너지를 축적한다. 이후 물을 끓이면 물 분자 사이 간격이 벌려지면서 수소결합 역시 길어진다. 이렇게 끓인 물을 냉각할 때는 공유결합 길이가 다시 줄어들면서 축적했던 에너지를 방출하게 된다. 뜨거운 물은 축적된 에너지 양이 많아 냉각시 더 빠른 속도로 에너지를 방출하게 되는 것이다. 

 

 

음펨바 효과