뜨거운 물이 더 빨리 어는 이유가 뭔가요?

Question

일반적으로 생각했을 때에는 차가운 물이 온도가 더 낮으니깐 어는점에 더 빨리 도달해 빨리 얼어야 할 것 같은데 뜨거운 물이 더 빨리 어는 이유가 뭔가요?

Answer 1

안녕하세요. 일반적으로는 차가운 물이 뜨거운 물보다 먼저 얼지만, 특정한 조건에서는 오히려 뜨거운 물이 더 빨리 어는 경우가 있는데요, 이를 음펨바 효과라고 합니다. 음펨바 효과가 왜 일어나는지는 아직 완전히 밝혀지지 않았으나, 여러 요인이 함께 작용하는 현상으로 이해되고 있습니다. 이때 가장 유력한 원인 중 하나는 증발인데요, 뜨거운 물은 냉각되는 동안 물의 일부가 수증기로 증발합니다. 그러면 남아 있는 물의 양이 줄어들어 얼려야 할 물의 양 자체가 감소하기 때문에 더 빨리 얼 수 있습니다. 또한 뜨거운 물은 내부에서 활발한 대류가 일어나 온도가 비교적 균일하게 낮아지는데요, 반면에 차가운 물은 위아래의 온도 차가 작아 대류가 약해질 수 있어 냉각 속도에 차이가 생길 수 있습니다.

이 밖에도 뜨거운 물에는 녹아 있던 공기가 빠져나가면서 물의 성질이 달라질 수 있고, 과냉각의 정도가 달라질 가능성도 제시되고 있습니다. 또한 뜨거운 용기를 냉동실에 넣으면 바닥의 성에를 녹여 용기와 냉각면이 더 밀착되어 열이 더 잘 빠져나가는 경우도 있습니다. 하지만 항상 뜨거운 물이 더 빨리 어는 것은 아닌데요, 물의 양, 용기의 재질과 모양, 냉동실의 온도, 공기의 흐름, 증발량 등 조건이 조금만 달라져도 결과가 달라질 수 있습니다. 따라서 상황에 따라서 어떤 경우에는 음펨바 효과가 나타나고, 다른 경우에는 전혀 나타나지 않기도 합니다. 감사합니다.

Answer 2

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

뜨거운 물이 차가운 물보다 더 빨리 어는 현상은 음펨바 효라고 부르며, 여러 가지 복합적으로 요인에 의해 발생합니다.

​첫째로 활발한 대류 현상 때문인데요. 뜨거운 물은 차가운 물보다 분자 운동이 활발해 위아래로 섞이는 대류가 강하게 일어 나는데, 이로 인해 내부의 열이 표면으로 빠르게 이동해 방출되면서 온도가 가파르게 떨어집니다.

​둘째로 빠른 증발의 영향으로 뜨거운 물은 증발량이 많아 얼려야 할 물의 총량이 줄어듭니다. 또한 물이 증발할 때 주변의 열을 빼앗아 가는 기화열 작용 덕분에 냉각 속도가 빨라지게 됩니다.

​셋째로 용존 기체의 차이 때문으로 차가운 물에는 산소 등의 기체가 많이 녹아 있어 열전달을 방해 하지만, 뜨거운 물은 끓는 과정에서 기체가 대부분 빠져나가 열전달이 훨씬 효율적입니다.

​마지막으로 수소 결합 원리인데요. 뜨거운 물은 분자 간 거리가 멀어지며 수소 결합에 에너지가 크지만, 냉각 시 이 에너지를 한 번에 방출하면서 온도가 급격히 낮아집니다.

​즉, 뜨거운 물은 강한 대류, 활발한 증발, 적은 용존 기체, 수소 결합의 에너지 방출이 동시에 작용하여 특정 조건에서 차가운 물보다 어는점에 더 빨리 도달하게 됩니다.

제 답변이 도움이 되었으면 좋겠습니다. 끝까지 읽어주셔서 감사합니다.