찬물이 뜨거운물보다 더 빨리 언다! 음펨바 효과

찬물이 뜨거운 물보다 더 빨리 언다고?

찬물이 뜨거운 물보다 빠리 어는 현상을 음펨바 효과라고 한다.

상식적으로 뜨거운 물이 찬물보다 빨리 언다고 하면 선뜻 이해가 가질 않는다. 예를 들어 35℃ 물과 5℃ 물이 있다고 하자.

35℃ 물은 5℃ 인 지점을 지나게 되어 있다. 34℃...33℃....32℃...25℃....20℃...14℃.....5℃

그러나 5℃물은 물이 어는 점인 0℃까지만 내려가면 된다. 

토끼와 거북이 경주 아닌가? 그런데 이상하게 35℃물이 5℃물보다 빨리 언다고 한다. 예전부터 뜨거운 물이 찬물보다 빨리 어는 현상을 발견하긴 했지만 과학적으로 증명이 어려워 가설로만 남아 있다가 2013년에 와서 그 원인을 과학적으로 증명하기에 이른다.

음펨바 효과의 발견과 증명은?

1963년 탄자니아의 음펨바라는 학생이 발견했다.

2013년 싱가포르 난양이공대학 연구팀이 증명했다.

1963년 탄자니아의 에라스토 음펨바는 학교에서 조리수업 시간에 끓는 우유에 설탕을넣어 아이스크림을 만드는 실습을 하다가 뜨거운 상태의 용액을 얼렸더니 다른 친구들보다 빨리 얼어버리는 현상을 발견했다. 데니스 오라는 물리학자는 이런 현상을 실험을 통해 확인했고 1969년 연구결과를 발표했다. 이 현상을 첫번째 발견자 이름을 따 음펨바 효과라고 부르게 되었다.

음펨바 효과는 그 원리가 밝혀지지 않고 있다가 영국왕립화학회가 2012년 음펨바 현상을 규명하면  1000파운드의 상금을 준다고 현상금을 걸었다.  그리고 마침내 2013년 싱가포르 난양이공대학 연구팀이 그 원인을 밝혀냈다.

음펨바 효과의 원리는?

물 분자인 수소와 산소의 결합을 수소결합이라고 부른다.

수소와 산소 사이에 공유결합이 길어지며  에너지를 축적한다. 

뜨거운 물은 찬물 보다 많은 에너지를 축적하고 있다가 빨리 더 많은 에너지를 방출하기 때문에 빨리 언다.

물의 분자식은 H₂O,  즉 수소 2개와 산소 1개로 이뤄져 있다. 수소와 산소의 결합으로 이뤄져 있는 것이다. 물컵에 물을 부으면 물은 한군데 섞인다. 이는 물분자 중에 수소끼리 잡아 당기는 힘이 강해서 그런 것이다. 물에 기름을 부으면 서로 섞이지 않지만 물은 잘 섞이는 것을 생각하면 쉽다.

물 분자들을 서로 가까이 하면 분자끼리 수소결합을 통해 서로 끌어당기는데 이때 수소와 산소 원자 사이의 공유결합이 길어지며 에너지를 축한다. 그런데 물을 끓이게 되면 수소결합이 길어지면서 물의 밀도가 줄어들고 이때 공유결합이 다시 줄어들며 축적했던 에너지를방출한다.  즉, 뜨거운 물에는 많은 에너지가 축적되어 있고 이를 냉각 시키면 더 빠르게 에너지를 방출하기 때문에 빨리 어는 것이다. 

싱가포르 연구팀은 각각 온도가 다른 물을 얼리면서 에너지 방출량을 측정해 이 이론을 입증했다. 앞서 말한 35℃물과 5℃물에서 차이를 가장 크게 보인다고 한다.

음펨바 효과를 실험해 보자.

일단 실험에 필요한 찬물과 뜨거운 물을 200ml 정도 준비한다.

냉동실에 동시에 두개의 컵을 넣는다.

1시간 30분 전후로 냉동실을 확인하다.

찬물 준비

우리는 온도계가 없으므로 대충 준비한다.  예전에 한 맥주회사가 광고 카피로 내놓은 말이 있다. "맥주가 가장 맛있는 온도는 4℃". 냉장고의 설정에 따라 다르겠지만 물을 냉장고에서 꺼내면 2~5℃ 정도 된다.

뜨거운 물 준비

35℃의 물을 준비하려면 물을 팔팔 끓여서 찬물과 1:2 비율로 섞어 준다. 그럼 대략 35℃ 가 된다.

찬 물과 뜨거운 물이 든 컵을 냉동실에 넣고 문을 닫자. 40~50분 정도 시간이 지난뒤 냉장고 문을 열고 컵을 들여다 보면 뜨거운 물이 담겨져 있던 컵에는 얼음이 얼어있고, 차가운 물이 담긴 컵에는 여전히 물이 담겨있을 것이다. 

아이와 과학실험을 통해 하루를 보내는 것도 뜻 깊을 것이다.  아이는 어떤 생각을 가지고 있고 왜 그런 생각을 하는지 물어보자. 아이의 생각을 존중해 주는 것이 아이의 사고력을 키우는 길임을 잊지 말자.