물 분자가 만들어 내는 신비한 힘, ‘음펨바 효과’

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음펨바 효과(Mpemba effect)는 같은 냉각 조건에서 고온의물이 저온의 물보다 더 빨리 어는 현상 또는 그 효과를 말한다. 이는 35℃ 물과 5℃ 물로 실험하였을 때 비교효과가 극대화된다. 1963년 탄자니아의  중학생인 에라스토 음펨바(Erasto B. Mpemba)가 처음 발견했다고 해서 붙은 명칭이다. 끓는 우유에 설탕을 섞어 식힌 후 냉동실에 얼려 아이스크림을 만드는 과학 수업에서 식히지 않은 우유가 더 빨리 어는 것을 발견했다.
몇 차례 똑같은 실험을 반복했지만, 결과는 항상 같았다. 이후 1969년 인근 대학 물리학자인 오스본 교수에게 알렸고 음펨바 효과가 세상에 알려졌다.

그러나, 음펨바 효과의 원인은 아직 완전히 밝혀지지 않았다.

 

음펨바 효과의 원인에 대한 다양한 가설들

1. 증발가설

일부 연구자들은 따뜻한 물의 증발로 인해 남은 용질이 농축되고 빙점이 낮아지기 때문이라고 주장한다. 

이 가설에 따르면, 온도가 높은 물에서는 물 분자들의 운동이 더 활발하여 증발이 더 잘 일어난다는 것이다. 

• 온도가 높은 물에서는 물 분자들의 운동 에너지가 더 크기 때문에 증발이 더 잘 일어난다.
• 증발 시 물 분자들이 기화되면서 잠열을 흡수하게 되고, 이로 인해 물의 온도가 낮아지게 된다.
• 온도가 낮은 물에서는 물 분자들의 운동 에너지가 상대적으로 작아 증발이 더 느리게 일어난다.

따라서 온도가 높은 물이 더 빨리 냉각되어 고체로 상전이하게 되는 것이다.

 

2. 열전도율 가설

온도가 높은 물의 열전도율이 온다가 낮은 물보다 더 크기 때문에 열이 더 빨리 전달되어 빠른 냉각이 일어난다는 것이다. 

• 열전도율은 물질 내부에서 열이 전달되는 정도를 나타내는 물성이다. 열
• 열전도율이 높을수록 열이 더 빨리 전달된다.
• 온도가 높은 물의 경우, 물 분자들의 운동 에너지가 크기 때문에 열전도율이 상대적으로 더 높다.

따라서 온도가 높은 물은 열이 더 빨리 전달되어 표면에서 빠르게 냉각되고, 결과적으로 온다가 낮은 물보다 더 빨리 얼게 된다.

 

3. 대류현상 가설

온도가 높은 물이 온도가 낮은 물보다 더 빨리 냉각되는 이유는 대류 현상이 더 활발하게 일어나기 때문이다. 

• 온도가 높은 물은 분자들의 운동 에너지가 크기 때문에 밀도가 낮다. 이로 인해 온다가 높은 물 표면에서 더 많은 열이 외부로 빠져나가게 된다. 
• 그 결과 표면 부근의 물이 빠르게 냉각되고, 차가워진 물이 아래로 가라앉으면서 대류 현상이 활발하게 일어나게 된다.
• 온도가 낮은 물은 분자들의 운동 에너지가 작아 밀도가 높기 때문에 표면에서 외부로 빠져나가는 열이 양이 상대적으로 적다.

따라서 대류 현상이 온도가 높은 물에서 더 활발하게 일어나, 결과적으로 온도가 높은 물이 더 빨리 냉각되어 얼게 된다.

 

4. 수소결합과 공유결합 가설

물 분자 간의 수소결합과 공유결합 길이 변화가 음펨바 효과를 일으킨다.

• 물을 가열하면 물 분자 간 수소결합이 더 길어지고, 공유결합 길이가 줄어든다.
• 이 때 물 분자들은 공유결합 길이가 줄어들면서 에너지를 방출하게 된다.
• 따라서 뜨거운 물을 냉각할 때, 이 방출된 에너지가 물을 더 빨리 냉각시키는 역할을 하게 된다.
• 반면 차가운 물은 수소결합이 더 짧고 공유결합 길이가 길어 에너지 방출이 상대적으로 적다. 

이로 인해 뜨거운 물이 차가운 물보다 더 빨리 냉각되어 얼게 되는 음펨바 효과가 나타나게 된다.

 

5. 과냉각 가설

뜨거운 물이 차가운 물보다 더 쉽게 과냉각 상태에 도달하게 되어 빨리 얼게 되는 것이다.

• 물이 과냉각 상태에 도달하면 물 분자들이 규칙적인 결정 구조를 형성하기 어려워진다. 이때 물 분자들은 불규칙적으로 배열되어 있는 상태가 되며, 이를 과냉각 상태라고 한다.
• 과냉각 상태에서는 물이 얼음으로 상변화하기 위한 핵생성이 더 쉽게 일어나게 된다. 따라서 뜨거운 물이 차가운 물보다 더 쉽게 과냉각 상태에 도달하게 되어. 얼음 핵생성이 더 빨리 일어나게 된다.

이로 인해 뜨거운 물이 차가운 물보다 더빨리 얼게 되는 음펨바 효과가 나타나게 된다.

 

 

 

 

                                                                          출처:
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