음펨바 효과
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1. 개요
음펨바 효과는 뜨거운 물이 찬물보다 더 빨리 어는 현상을 말한다. 이 현상은 고대부터 관찰되었을 가능성이 있으며, 1963년 탄자니아의 학생 에라스토 음펨바가 아이스크림 제조 실습 중 발견하여 1969년 데니스 오스본과 공동 연구를 통해 발표되었다. 음펨바 효과는 증발, 대류, 용질, 수소 결합 등 여러 요인에 의해 발생한다고 분석되지만, 재현의 어려움과 실험 조건에 따른 상반된 결과로 인해 논란이 있다. 최근에는 과냉각, 수소 결합 변화, 비평형 상전이 등 첨단 과학적 관점에서 연구가 진행되고 있으며, 물이 아닌 콜로이드에서도 유사한 효과가 나타나는 등 추가적인 연구가 필요한 상황이다.
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음펨바 효과 | |
---|---|
현상 개요 | |
이름 | 음펨바 효과 (Mpemba effect) |
관련 현상 | 역음펨바 효과 (Inverse Mpemba effect) |
설명 | 특정 조건에서 뜨거운 물이 차가운 물보다 빠르게 어는 현상 |
역사적 배경 | |
최초 기록 | 아리스토텔레스 (기원전 4세기) |
관련 연구 | 프랜시스 베이컨 (17세기) 르네 데카르트 |
재발견 | 에라스토 B. 음펨바 (1960년대) |
대중화 | 음펨바와 데니스 오스본의 논문 (1969년) |
논쟁 및 검증 | |
현상 입증 어려움 | 실험 조건의 민감성으로 인해 일관된 결과 얻기 어려움 |
과학적 합의 | 현상의 존재는 인정되나, 정확한 메커니즘은 불분명 |
이론적 설명 | |
제안된 메커니즘 | 과냉각 (Supercooling) 증발 (Evaporation) 대류 (Convection) 수소 결합 (Hydrogen bond) 온도 구배 (Temperature gradient) 용존 기체 (Dissolved gas) |
추가 정보 | |
참고 자료 |
2. 역사
고대의 아리스토텔레스, 근세의 프랜시스 베이컨, 르네 데카르트 등의 과학자들이 이와 비슷한 현상에 대해 알고 있었을 가능성이 있다.[66] 아리스토텔레스는 이를 '반대작용'이라는 개념으로 설명했고,[5] 베이컨은 "약간 미지근한 물이 완전히 차가운 물보다 더 쉽게 언다"라고 기록했으며,[6] 데카르트는 "오랫동안 불에 올려둔 물이 다른 물보다 더 빨리 어는 것"을 경험으로 알 수 있다고 썼다.[7]
2. 1. 고대 및 근대 과학자들의 관찰
아리스토텔레스는 "물을 미리 데우면 빨리 얼게 되는데, 이는 더 빨리 식기 때문이다. 그래서 많은 사람들은 물을 빨리 식히고 싶을 때, 먼저 햇볕에 쬐어 데운다."라고 말하며 '반대작용'을 언급했다.[5] 프랜시스 베이컨은 "약간 미지근한 물이 완전히 차가운 물보다 더 쉽게 언다"라고 기록했다.[6] 르네 데카르트는 ''방법서설''에서 "오랫동안 불에 올려둔 물이 다른 물보다 더 빨리 어는 것을 경험으로 알 수 있는데, 그 이유는 물을 데우는 동안 굽힘을 멈추는 능력이 가장 적은 입자들이 증발하기 때문이다."라고 썼다.[7]2. 2. 에라스토 음펨바의 발견과 오스본의 검증
1963년 탄자니아의 마감바 중학교 3학년이던 에라스토 음펨바는 아이스크림을 만드는 실습을 하던 중, 뜨거운 혼합 용액이 식힌 혼합 용액보다 먼저 어는 현상을 발견했다.[65][66]이후 음펨바는 이링가의 므콰와 중고등학교(구 고등학교)에 진학했다. 다르에스살람 대학교의 데니스 오스본 박사가 물리학 강의를 위해 이 학교를 방문했는데, 강의 후 음펨바는 오스본에게 "만약 동일한 부피의 물이 담긴 두 개의 유사한 용기를 가지고, 하나는 35°C이고 다른 하나는 100°C로 하여 냉동실에 넣는다면, 100°C에서 시작한 물이 먼저 얼어붙습니다. 이유는 무엇입니까?"라고 질문했다.[9]
처음에는 급우들과 선생님 모두에게 비웃음을 샀지만, 오스본은 이 현상을 실험하여 음펨바의 발견을 확인했다.[9] 음펨바와 오스본은 70ml의 물 샘플을 100ml 비커에 담아 폴리스티렌 폼 시트 위에 올려놓고 가정용 냉장고의 냉동실에 넣는 실험을 진행했다. 그 결과 어는 시간은 25°C에서 시작한 물이 가장 길었고, 약 90°C에서 시작한 물이 훨씬 짧다는 것을 확인했다. 이들은 증발에 의한 액체 부피 손실과 용해된 공기의 영향을 주요 변수에서 배제했으며, 실험 설정상 대부분의 열 손실은 액체 표면에서 발생하는 것으로 나타났다.[9]
음펨바와 오스본은 1969년에 이 실험 결과를 함께 발표했다.[9]
3. 정의 및 재현의 어려움
음펨바 효과는 "뜨거운 물이 찬물보다 더 빨리 언다"는 일반적인 표현으로 정의되지만, 이는 여러 측면에서 불분명하다.[13] 몽웨아 젱(Monwhea Jeng)은 보다 정확한 정의를 제시했지만, "어는 것"의 기준(얼음 층 형성, 완전한 고체화, 0°C 도달 등)이 여전히 명확하지 않다.[4][13]
젠(Jeng)의 정의는 더 따뜻한 온도가 냉각 표면의 서리를 녹여 냉각 표면과 물 용기 사이의 열전도율을 높이는 경우와 같이 효과를 관찰할 수 있는 간단한 방법을 제시한다.[13] 그러나 음펨바 효과는 처음에는 적합해 보이는 상황과 조건에서도 나타나지 않을 수 있다.[13]
과학 평론가 필립 볼은 2006년 잡지 Physics World|피직스 월드영어에 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.
4. 원인 분석
음펨바 효과의 원인에 대해서는 다양한 요인이 복합적으로 작용하는 것으로 알려져 있으며, 아직까지 명확하게 규명되지 않았다.
2013년 싱가포르 난양이공대학의 쑨장칭, 시장 교수 연구팀은 물의 수소 결합과 공유 결합 사이의 에너지 상관관계가 음펨바 효과의 원인임을 밝혀냈다.[64][69] 물 분자 사이의 수소 결합으로 인해, 각 물 분자를 구성하는 수소 원자와 산소 원자 간의 공유 결합은 분자들이 가까워질 때 길어지며 에너지를 축적한다. 물을 끓이면 물 분자 간 거리가 멀어지면서 수소 결합도 길어진다. 끓인 물을 냉각할 때, 공유 결합 길이가 다시 줄어들면서 축적했던 에너지를 방출한다. 뜨거운 물은 축적된 에너지양이 많아 냉각 시 더 빠른 속도로 에너지를 방출하게 된다.
이러한 원인 분석이 유력하지만, 음펨바 효과가 물이 아닌 콜로이드에서도 관찰되어[70] 물 외의 액체에서 발생하는 음펨바 효과에 대해서는 추가적인 연구가 필요하다.
2017년, 서로 다른 두 연구 그룹은 독립적이면서도 동시에 이론적인 음펨바 효과를 발견했다. 이들은 냉각된, 평형에서 멀리 떨어진 시스템을 가열하는 데 초기 평형에 더 가까운 다른 시스템보다 시간이 덜 걸리는 새로운 "역" 음펨바 효과를 예측했다.[15][16] 이는 마르코프 통계 역학, 이징 모델, 확산 역학, 입자 기체, 분포 함수, 맥스웰-볼츠만 분포 등 다양한 이론적 배경을 바탕으로 연구되었다.
빙햄턴 대학교의 물리학자 제임스 브라운리지는 과냉각이 음펨바 효과와 관련이 있다고 언급했다.[17][11]
음펨바 효과가 발생하는 환경에서는 다양한 요소가 관여하는 것으로 생각된다.
- '''[얼음]의 정의''': "얼음"을 물 표면에 얼음 층이 확인된 단계(표면 결빙)로 할 것인지, 완전히 얼음 덩어리가 된 단계(전체 결빙)로 할 것인지에 따라 결과가 달라질 수 있다.
- '''실험 설정''': 실험 재료(아이스크림 재료, 수돗물, 순수 등), 냉각 방법(직냉식 냉동고, 팬식 냉동고, 저온실, 영하의 야외) 등에 따라 결과가 달라질 수 있다.
- '''냉각 효율''': 증발, 대류, 서리 등 냉각 효율에 영향을 미치는 요인들이 음펨바 효과에 영향을 줄 수 있다.
- '''결빙 과정''': 과냉각 정도, 불순물의 영향 등 결빙 과정에서의 다양한 요인들이 음펨바 효과에 미칠 수 있다.
4. 1. 열역학적 요인
Mpemba effect영어는 여러 요인들이 복합적으로 작용하여 발생하는 현상으로 알려져 있다. 다음은 그 중 열역학적 요인에 대한 설명이다.- '''증발''': 뜨거운 물은 증발이 활발하게 일어나면서 질량이 감소하고, 증발열에 의해 냉각이 가속화될 수 있다.[21] 그러나 증발만으로는 Mpemba effect영어 전체를 설명하기 어렵다.[4]
- '''대류''': 물은 온도에 따라 밀도가 달라지는데, 4°C 이하에서는 밀도가 감소하여 대류가 억제되는 경향이 있다. 그러나 뜨거운 물에서는 밀도가 낮아 이러한 억제 효과가 적어 대류가 활발하게 유지되며, 이는 열전달을 가속화하여 냉각 속도를 높인다.[22]
- '''서리''': 냉동고 바닥에 생긴 서리는 단열재 역할을 할 수 있다. 뜨거운 물은 이 서리를 녹여 용기와 냉각 표면 사이의 접촉을 개선하고, 열전도율을 높여 냉각을 가속화한다.[24]
- '''열전도율''': 뜨거운 물이 담긴 용기는 바닥의 서리 층을 녹여, 용기가 더 차가운 표면(얼음, 냉각 코일 등)과 직접 닿게 한다. 이로 인해 열전도율이 높아져 냉각이 더 빠르게 진행된다.
4. 2. 물리화학적 요인
과냉각은 관련된 요인으로 언급된다.[17][11] 여러 분자 역학 시뮬레이션은 과냉각 동안의 수소 결합 변화가 이 과정에서 중요한 역할을 한다는 것을 뒷받침한다.[25][18] 뜨거운 물은 차가운 물보다 과냉각 상태에 도달하기 어려워 더 빨리 얼 수 있다는 가설이 있다.[37][38]물에 녹아있는 탄산 칼슘, 탄산 마그네슘 등의 미네랄은 끓는 과정에서 침전되어 어는점에 영향을 줄 수 있다.[23][39]
차가운 물은 따뜻한 물보다 더 많은 용존 기체를 포함할 수 있으며, 이는 대류 전류와 관련하여 물의 특성을 어떤 방식으로 변화시킬 수 있다.[4] 다만, 이론적 설명은 없다. 뜨거운 물은 차가운 물보다 용존 기체의 양이 적어, 이것이 냉각 속도에 영향을 줄 수 있다는 주장이 있다.
2017년, 윤웬 타오와 공동 저자들은 서로 다른 수소 결합의 광범위한 다양성과 특이한 발생이 효과에 기여할 수 있다고 제안했다. 그들은 온도가 상승함에 따라 강한 수소 결합의 수가 증가하고, 작은 강하게 결합된 클러스터의 존재가 따뜻한 물이 빠르게 냉각될 때 핵 생성을 촉진한다고 주장했다. 저자들은 진동 분광법과 밀도 범함수 이론으로 최적화된 물 클러스터 모델링을 사용했다.[2] 물 분자 간의 수소 결합 상태 변화가 음펨바 효과에 영향을 미칠 수 있다는 연구 결과가 있다.
4. 3. 복잡계적 관점
냉각 과정에 있는 물의 상태는 온도라는 단 하나의 인자로 나타내기 어렵다. 몬웨아 젱은 이 문제에 관하여 온도장을 복잡계로 고려해야 하며, 전산 유체 역학이 매우 복잡하게 얽혀있어 해석이 몹시 복잡하다고 지적했다.[68]이 효과는 열전도의 문제이며, 연속체 역학에 기초한 이동현상의 관점에서 연구를 진행하는 것이 적합하다. 열 수송을 편미분방정식으로 해석한다면, 물의 평균 온도 등 몇 가지 적은 수의 인자만 고려해서는 계의 움직임을 기술하기에 충분하지 않다. 계의 기하학적인 세부 사항이나 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 보이지만, 이것은 물리학 문제에 접근할 때 적절한 변수들을 모두 고려해 주어야 한다는 것을 말해 주고 있다.
5. 한국에서의 반응
2008년 일본방송협회(NHK)의 과학 정보 프로그램 《시도해 갓텐》에서 음펨바 효과가 소개되면서 한국에서도 대중적인 관심을 받게 되었다.[55] 그러나 일부 과학자들은 이 현상의 재현성에 의문을 제기하며 비판적인 입장을 보였다. 물리학자 오오츠키 요시히코는 자신의 블로그를 통해 "열역학의 기본 법칙상 있을 수 없다"고 비판했다.[56] 그는 간단한 실험을 통해 NHK의 주장이 틀렸다고 결론 내렸지만, 증발열 효과를 극대화하는 특정 조건에서는 유사한 현상이 나타날 수 있다고 덧붙였다.[57] 제이 캐스트(Jcast 뉴스)의 취재 결과, 여러 전문가들은 음펨바 효과에 대해 알지 못한다고 답했지만, 교토 대학 교수 코누키 아키라는 "가능성이 있다"는 의견을 제시했다.[58] 2009년 일본 설빙학회에서는 관련 연구 발표 및 논의가 이루어졌다.
6. 최근 연구 동향
2017년, 여러 연구 그룹이 이론적인 음펨바 효과 및 "역" 음펨바 효과를 예측했다.[26] 빙햄턴 대학교의 제임스 브라운리지는 뜨거운 물이 찬물보다 빨리 어는 현상을 재현하는 데 성공했다고 보고했다.[59] 그러나 브라운리지의 실험에서는 동일한 물 샘플을 사용한 것이 아니라, 약 100°C까지 가열한 수돗물과 25°C 이하로 냉각한 증류수를 사용했다. 구리제 장치에 밀봉하여 냉동고에 넣었을 때, 고온의 수돗물이 저온의 증류수보다 매번 먼저 어는 것이 확인되었다. 이는 물의 순도가 다른 경우 뜨거운 물이 찬물보다 빨리 어는 조건이 존재함을 보였지만, 동일한 샘플을 사용하지 않았기 때문에 초기 온도가 원인이라고 단정하기는 어렵다.[59]
2020년 사이먼 프레이저 대학교의 아비나쉬 쿠마르와 존 보에초퍼는 네이처에 발표한 연구에서 음펨바 효과 재현에 성공했다고 보고했다.[60] 이들은 물이 아닌 유리 입자를 이용한 실험을 통해 음펨바 효과를 재현했다. 연구팀은 "다양한 조건 하에서 물의 단일 분자에 가까운 크기의 유리가 물 속에서 어떻게 움직이는가"를 실험하던 중, "고온의 유리가 저온의 유리보다 빠르게 냉각된다는 것"을 발견했다. 이들은 "물의 어는 과정" 대신 "물의 냉각 과정"에 주목하여 음펨바 효과를 정의했다.[60]
실험 결과, 초기 온도가 높은 유리는 낮은 유리보다 빠르게 냉각되어 지수 함수적으로 온도가 저하되었으며, 약 1000번의 시도에서 고온의 유리는 저온의 유리보다 약 10배 빠르게 냉각되는 것이 밝혀졌다.[60]
7. 비슷한 효과
- 잠열: 0°C의 얼음을 0°C의 물로 바꾸는 데 필요한 에너지는 0°C의 물을 80°C로 가열하는 데 필요한 에너지와 같다.
- 라이덴프로스트 효과: 낮은 온도의 보일러가 때로는 높은 온도의 보일러보다 물을 더 빠르게 기화시킬 수 있다.
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