'음펨바 효과' 가 무엇인지 쉽게 설명 부탁드립니다
고온의 물이 차가운 물보다 더 빨리 어는것이 '음펨바 효과' 라고 하는데요.
왜 고온의 물이 빨리 어는지 쉽게 설명좀 부탁드립니다.
안녕하세요. 김철승 과학전문가입니다.
음펨바 효과는
같은 양의
물을 같은 조건에서
냉각했을 때
뜨거운 물이 차가운 물보다
더 빨리 얼게 되는
현상을 말합니다.
상식적으로 생각하면
차가운 물이 더 빨리
얼 것이라고 생각하지만
실제로는 뜨거운 물이 더 빨리 얼 수 있다는 놀라운 현상입니다.
음펨바 효과의 원인은 아직 명확히 밝혀지지 않았지만
다음과 같은 몇 가지 가설이 제시되어 있습니다.
뜨거운 물은 차가운 물보다 과냉각 되기 쉬워
더 빨리 얼 수 있습니다.
뜨거운 물은 차가운 물보다 불순물이 적어
얼음 결정 형성을 방해하는 요소가 적습니다.
뜨거운 물은 차가운 물보다 더 많은 에너지를 가지고 있어
냉각 과정에서 에너지를 방출하면서 더 빨리 얼 수 있습니다.
음펨바 효과는 일상생활에서도 관찰할 수 있습니다.
뜨거운 커피를 차가운 커피보다 더 빨리 차갑게 만들 수 있으며
뜨거운 물을 넣어 만든 아이스크림은 차가운 물을 넣어 만든 아이스크림보다 더 빨리 얼 수 있습니다.
하지만 음펨바 효과가 항상 일어나는 것은 아닙니다.
물의 양, 용기의 재질, 냉각 조건 등 여러 변수에 따라
음펨바 효과가 나타나지 않거나 그 영향이 미미할 수도 있습니다.
음펨바 효과는 아직 완전히 밝혀지지 않은 과학적 현상이지만
물의 특성과 냉각 과정에 대한 이해를 높이는 데 중요한 역할을 하고 있습니다.
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안녕하세요. 설효훈 과학전문가입니다. 음펨바 현상을 설명하는 몇 가지 주장이 등장했다. 2013년 싱가포르 난양 공과대학의 순장칭 교수와 장시 박사팀이 음펨바 현상이 수소결합과 공유결합의 상관관계에서 발생한다는 논문을 발표했다. 해당 논문은 당시 과학자들 사이에서 기존의 물리 화학적 이론에 가장 부합하는 설명이라는 평가를 받았다.
순장칭 교수와 장시 박사팀의 이론을 이해하려면 우선 두 가지 결합에 대해 알아야 한다. 먼저 물 분자는 수소 원자 두 개와 산소 원자 한 개로 이루어져 있고 이들은 서로 ‘공유결합’으로 연결되어 있다. 여기서 ‘공유결합’이란, 화학 결합 중 전자를 원자들이 공유하였을 때 생성되는 결합을 말한다. 즉, 물 분자는 내부에 공유결합을 가지고 있다. 그리고 물이나 얼음처럼 물 분자가 여럿 모여 있는 경우에는 분자와 분자 사이를 잇는 결합이 있는데 이를 ‘수소결합’이라고 한다.
분자를 서로 연결하는 결합에는 여러 종류가 있다. 그중 수소결합은 힘이 강한 편에 속하지만, 수소결합이 아무리 강하더라도 물 분자를 이루는 공유결합보다는 아무래도 약하다. 정리해보면 물 분자 내부는 수소와 산소가 공유결합으로 묶여 있고, 물 분자들 끼리는 수소결합으로 묶여 있다.
온도가 높은 물은 에너지를 많이 가지고 있고 온도가 낮은 물은 에너지를 적게 가지고 있다. 에너지가 적은 낮은 온도의 물 분자는 진동을 적게 하니 분자와 분자 사이의 거리가 짧다. 그래서 분자를 서로 묶어 두는 수소결합의 힘이 더 강해지는데 이 수소결합이 물 분자의 수소나 산소를 끌어당기는 힘이 세다 보니 분자 내의 산소와 수소 사이가 조금 멀어진다. 이렇게 공유결합의 길이가 길어지면 이를 유지하기 위해 에너지가 더 필요하다.
반대로 높은 온도의 물 분자는 진동을 많이 하므로 분자 사이의 거리가 멀기 때문에 수소결합도 상대적으로 약하고 분자 내부의 원자를 끌어당기는 힘이 약하니 분자 내부의 공유결합은 낮은 온도의 물보다 더 짧은 길이로 유지될 수 있고 에너지가 적게 들어간다. 따라서 물 분자는 에너지를 내놓는다.
즉 물 분자는 가열하면 공유결합 길이를 줄이면서 에너지를 내놓게 되는 것이다. 따라서 높은 온도의 물과 낮은 온도의 물을 같은 조건에서 동시에 냉각시키면 높은 온도의 물이 낮은 온도의 물보다 더 빠르게 에너지를 방출한다. 싱가포르 연구팀이 실제로 물의 초기 온도를 달리해서 냉각 시 에너지 방출량을 측정한 결과가 바로 이렇게 나타난 것이다. 순장칭 교수는 “물이 에너지를 방출하는 속도는 물이 가진 초기 에너지 상태, 즉 온도에 따라 달라진다.”고 설명했다.
이것으로 높은 온도의 물이 낮은 온도의 물보다 더 빨리 어는 문제가 해결되는 듯했지만, 또 다른 주장이 제기되었다.이런 진행 중인 논쟁을 지켜보는 것 또한 과학의 즐거움 중 하나라 하겠지만 일단 음펨바 효과에 대한 적절한 설명은 조금 더 시간이 걸릴 듯하다.
출처 : 삼성디스플레이 뉴스룸 - 우리의 상식을 깨는 현상이 있다? 물 분자가 만들어 내는 신비한 힘, ‘음펨바 효과’
안녕하세요. 김경태 과학전문가입니다.
고온의 물이 차가운 물보다 더 빨리 얼어붙는 것은 "음펨바 효과" 또는 "과냉각"이라고 불리는 현상으로, 아래와 같이 설명됩니다.
우선, 물이 얼어서 고체가 되는 과정에서는 물 분자들이 서로 결합하면서 얼음 고체를 형성합니다. 이 때, 물 분자들이 결합할 때 방출되는 열은 물의 온도를 낮추는 역할을 합니다.
하지만, 고온의 물은 냉각이 덜 된 상태에서 갑자기 얼어붙는 경우, 물 분자들이 서로 결합하기 전에 빠르게 움직이며, 결합하기 전에 냉각작용을 받지 않은 분자들이 얼음 고체가 형성되는 과정에서 포착되어 결합하면서 열을 방출합니다. 이 때, 물 분자들이 결합하기 전에 빠르게 움직이는 현상을 "과냉각"이라고 합니다.
안녕하세요. 김재훈 과학전문가입니다.
음펨바 효과는 뜨거운 물이 차가운 물보다 더 빨리 어는 놀라운 현상입니다. 하지만 아직 정확한 원리는 밝혀지지 않았고, 여러 가설들이 존재합니다.
증발 가설은 뜨거운 물 분자들의 활발한 운동으로 인한 증발 증가를 원인으로 제시합니다. 증발 과정에서 열 손실이 일어나 냉각 속도가 빨라진다는 설명입니다.
열 손실 가설은 초기에 뜨거운 물이 더 많은 열을 잃어 냉각 속도가 빨라진다는 주장입니다.
과냉각 가설은 차가운 물의 과냉각 가능성이 높다는 점에 초점을 맞춥니다. 과냉각은 0℃ 이하에서도 액체 상태를 유지하는 현상으로, 뜨거운 물은 과냉각 가능성이 낮아 빠르게 결정화된다는 설명입니다.
용존 가스 가설은 차가운 물에 더 많은 용존 가스가 포함되어 있다는 점을 주목합니다. 용존 가스는 결정화를 방해하기 때문에, 뜨거운 물은 냉각 과정에서 용존 가스를 방출하여 결정화를 촉진한다는 설명입니다.
수소 결합 가설은 뜨거운 물의 냉각 과정에서 수소 결합이 약해져 결정화가 촉진된다는 주장입니다.
기타 가설로는 용기의 크기와 모양, 냉각 속도, 물의 순도 등 다양한 요인이 음펨바 효과에 영향을 미칠 수 있다는 주장도 있습니다.
따라서 음펨바 효과는 여러 요인이 복합적으로 작용하여 발생하는 것으로 추측됩니다. 하지만 아직 명확하게 밝혀지지 않은 부분이 많기 때문에 지속적인 연구가 필요합니다.
안녕하세요. 이상현 과학전문가입니다.
최근 연구에따르면 고온의 물이 내부에서 대류가 더 활발하게 일어나면서, 표면에서 열에너지를 빠르게 배출하기 때문에 빠르게 식고, 이로인해 먼저 얼음이 될 수 있다고 합니다.
