차가운 물과 뜨거운 물 중 왜 뜨거운 물이 먼저 어나요?

안녕하세요. 이상현 과학전문가입니다.

해당현상은 아직까지도 난제로불리우는 문제입니다.

단순히 뜨거운물이 빠르게 얼어붙는다는 결과만 존재합니다.

가장 유력한 가설은 대류로 설명하기도 합니다.

뜨거운 물의 경우 외부에 접한 위쪽 물이 식으면서 안쪽의 물과 온도차가 커집니다. 

때문에 뜨거운 물은 차가운 물보다 대류현상이

더 활발하게 일어나 바깥으로 열을 더 빨리

빼앗긴다는 이론입니다.

감사합니다.

뜨거운 물이 차가운 물보다 빨리 어는 현상을 음펨바 효과라하며 최근까지도 정확한 원인을 알아내지 못했습니다. 그러나 싱가포르 난양기술대학의 순장칭 교수와 장시 박사팀은 2013년 11월 발표한 논문에서 음펨바 현상의 원인을 수소 결합과 공유 결합의 상관관계에서 찾은 연구결과를 발표하면서 오랜 시간 동안 풀리지 않던 수수께끼가 풀리게 되었습니다.

논문의 내용은 다음과 같습니다.

하나의 물 분자는 산소 원자 하나와 두 개의 수소 원자가 공유결합으로 연결되어 이루어진다. 공유결합은 원자들이 전자를 공유하는 것으로, 이미 잘 이해되어 있다. 그런데 산소와 수소의 전기 음성도 차이로 인해 상대적으로 산소가 공유하고 있는 전자를 수소보다 더 끌어 당기게 되고, 따라서 물 분자는 부분적으로 극(Polar)을 가지게 된다. 그리고 만들어진 서로 다른 두 극은 다른 분자와 수소 결합이라는 분자 간 인력을 만들어낸다.논문에 따르면, 저온에서는 물 분자들 사이의 수소 결합이 물 분자들을 끌어들이면서 물 분자 내부에 자연적인 척력이 발생하고 이로 인해 각각의 물 분자 내에 존재하는 산소 원자-수소 원자간 공유 결합의 길이가 길어지는데, 이를 위해서 에너지를 필요로 한다는 사실에 주목했다. 길어진 공유 결합을 유지하기 위해 그만큼 더 많은 에너지를 가져야하는 것. 하지만 고온에서는 물 분자들의 간격이 넓어지면서 수소 결합이 길어진다. 수소 결합의 방해가 사라졌으니 척력도 없어져 물 분자 내부의 산소 원자와 수소 원자 사이의 공유 결합 길이가 짧아지면서 결합 유지에 필요한 에너지를 제외하고 남는 에너지를 방출한다는 사실을 밝혀냈다.

여기서 중요한 것은, 공유 결합이 에너지를 방출하는 것은 본질적으로 냉각 과정과 동일하다는 것으로, 물은 특이하게도 가열하면 공유 결합 길이를 줄이면서 결합에 필요한 에너지만 남고 잉여 에너지를 내놓는다. 따라서 이러한 상태에서 뜨거운 물과 찬 물을 동시에 냉각하면 뜨거운 물은 잉여 에너지 양이 많아 냉각시 더 빠른 속도로 에너지를 방출하게 되는 것이다.

연구팀은 각각의 물 초기 온도를 다르게 한 뒤 냉각시 에너지 방출량을 측정하는 방식으로 음펨바 효과를 입증했다. 순장칭 교수는 "물이 에너지를 방출하는 속도는 물이 지닌 초기 에너지 상태에 따라 달라진다"고 설명했다.

안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.

아직 음펨바 효과인 찬물과 뜨거운 물 중 어느 것이 더 빨리 어느냐에 대해 완벽히 풀리지는 않았습니다. 찬물이 뜨거운 물보다 빨리 어는 것이 상식적이고 어느 정도 맞는 이야기지만, 뜨거운 물이 찬물 보다 빨리 어는 것을 관측한 사실도 있기 때문이죠. 또한, 이 관측 사실에 대해 실험조건이나 환경등에 영향을 받아 뜨거운물이 찬물보다 빨리 얼었다라는 반박도 있습니다. 그래서 현재로썬 다양한 변수에 의한 조건과 환경에 따라 뜨거운물이 빨리얼수도 있고 찬물이 빨리 얼수도 있다라고 밖에 대답을 못드리겠습니다.

도움이 되셨다면 추천 부탁드립니다.

말씀하신 효과는 음펨바 효과 입니다.

현재 여러 가설들이 있지만 정확히 증명되지는 않았습니다.

가장 지지받는 주장은 물을 가열할 때 공유 결합 길이를 줄여가면서 에너지를 놓게되는데,

뜨거운 물이 에너지 양이 많아 냉각시에 더 빠른 에너지로 방출된다는 이론이 있습니다.