뜨거운 물이 차가운 물보다 더 빨리 어는 이유

잘모르겠지만 어려운 문제만큼은 틀림없는거 같네...ㅎㅎ

KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 2010-04-02

뜨거운 물은 때때로 차가운 물보다도 더 빨리 얼지만, 왜 그럴까? 이 독특한 현상은 여러 세대 동안 과학자들을 좌절시켜왔지만, 이제 이 효과가 물 속에 있는 불규칙한 불순물들에 의존하고 있는지도 모른다는 증거가 나왔다.

뜨거운 물이 빨리 어는 현상은 탄자니아의 남학생 에라스토 음펨바(Erasto Mpemba)의 이름을 따서 지은 음펨바 효과로 알려져 있다. 지금까지 물리학자들은 가능성 있는 몇 가지 설명들을 제안해왔는데, 빠른 증발로 인한 뜨거운 물의 부피 감소, 차가운 물을 단열하는 서리 층, 그리고 서로 다른 용질 농도 등이 이러한 설명에 포함된다.

그러나 이 효과는 신뢰할 수가 없기 때문에 답을 찾기가 매우 어려웠다. 즉, 차가운 물도 꼭 그만큼 더 빨리 얼어붙는 것 같다는 것이다.

뉴욕주립대(State University of New York) 방사선안전관인 제임스 브라운리지(James Brownridge)는 이러한 무질서가 결정적이라고 생각한다. 지난 10년 동안 그는 자신의 여가시간에 음펨바 효과에 관한 실험을 수백 번 수행했으며, 이 효과는 과냉각이라는 미덥지 못한 현상을 기반으로 한다는 증거를 갖고 있다. “물은 좀처럼 0 °C에서 얼지 않는다. 대개는 과냉각되며, 더 낮은 온도에서 얼기 시작한다.”라고 브라운리지는 말한다. 냉점은 물 속에 있는 불순물에 의존하며, 이 불순물들이 얼음결정을 형성할 때 씨앗 역할을 한다. 일반적으로, 물은 여러 종류의 불순물들을 포함하고 있을 수 있다. 먼지 입자들에서부터 용해된 소금, 박테리아 등이 그것이며, 이러한 불순물들이 특징적인 온도에서의 결빙을 유발한다. 결정핵 형성 온도가 가장 높은 불순물이 그 물의 어는 온도를 결정한다.

브라운리지는 먼저 뚜껑이 있는 시험관 속에 든 동일한 20 °C 온도의 물 표본들을 냉동기에서 냉각시켰다. 어느 한쪽이 먼저 얼 것이고, 아마도 불순물들이 무작위로 혼합되어서 냉점이 높기 때문일 것이다. 만일 그 차이가 충분히 크다면, 음펨바 효과는 나타날 것이다. 브라운리지는 자연적 냉점이 더 높은 표본을 선택하여 80 °C까지 가열하고 다른 표본은 실온으로 가열하였으며, 그 뒤 시험관들을 다시 냉동기 속에 두었다. 만일 냉점이 최소한 5 °C 더 높다면, 뜨거운 물은 차가운 물보다 항상 더 빨리 얼 것이라고 브라운리지는 말한다.

경주에서 뜨거운 표본이 60 °C 뒤에서 출발할 때, 결승선을 겨우 5 °C만큼 옮긴 것만으로도 충분한 차이가 생긴다는 것은 놀랍게 보일지도 모른다. 그러나 실험대상과 주변 사이의 온도차이가 크면 클수록, 더 빨리 냉각된다. 그래서 뜨거운 표본은 대부분의 냉각 과정을 매우 빨리 수행함으로써, 차가운 물이 자신의 냉점인 -7 °C에 도달하기 전에 뜨거운 물 자신의 냉점인 -2 °C에 도달하도록 돕는다. 왜 다른 사람들은 이것을 몰랐을까? 다른 사람들은 한 번에 하나의 인자를 연구할 수 있을 정도로 실험환경을 충분히 잘 통제하지 못했다고 브라운리지는 말한다. 예를 들면, 용기의 종류, 냉동기 속에서의 표본 위치 등을 제어하는 것이 필요하다.

이번 연구로 음펨바 논쟁이 끝날 것 같지는 않다. 워싱턴대(Washington University)의 조나단 카츠(Jonathan Katz)는 회의적이라고 말한다. 카츠의 이론에 따르면, 가열하면 이산화탄소와 같은 용질이 제거되어 물의 냉점이 높아진다. 이것은 좀 더 무질서한 것이 먼저 냉각된다는 브라운리지의 제안과는 달리, 물을 가열하면 실제로 먼저 냉각될 기회가 증가된다는 것을 의미한다. “아마도 음펨바 효과를 닮은 과냉각 효과를 발견했던 것 같다.”라고 카츠는 말한다.

원문출처는 : http://www.newscientist.com/article/mg20527535.200-revealed-why-hot-water-freezes-faster-than-cold.html