뜨거운 물이 찬 물보다 빨리 언다고?

 

 

뜨거운 물이 찬 물보다 빨리 언다고?

 

이것도 민간 사이에떠도는 수많은 이야기 중 하나이다. 그 중 많은 이야기가 실없는 소리이지만, 이번 경우에는 아니다.

 

먼저 한 가지 확실히 해둘 것이 있다. 어느 정도 찬 물, 가령 섭씨 4도의 물과 어느 정도 뜨거운 물, 가령 50도의 물(보통 수도꼭지에서 얻을 수 있는 가장 뜨거운 온도의 물)을 동시에 얼린다고 치자. 이 경우에는 찬물 쪽이 더운 물보다 빨리 언다.

 

한편 아주 뜨거운 물, 가령 73도짜리 물과 아주아주 뜨거운 물과 90도를 넘거나 끓는점 바로 아래의 물을 동시에 얼린다고 가정해보자.

90도 물이 73도 물보다 빨리 언다.

 

어째서 이런 일이 일어나는가? 두 가지 이유가 있다. 하나는 '증발작용' 이다. 물은 온도가 높을수록 더 빨리 증발한다. 끓는점에 가까울수록 물은 매우 빨리 증발한다. 너무나 빠르게 증발하는 나머지, 시간이 지나면 남아 있는 물이 얼마 없게 된다. 물이 적으면 열량도 줄어들기 때문에 빨리 어는 것이다.

 

증발에 대해서 또 한 가지 알아둘 사실이 있다. 물이 증발하는 과정에서는 열도 함께 달아난다. 이것이 증발의 화학적 의미이다. 가장 뜨겁고 빠른 분자는 물을 뛰쳐나가 공기 중에 흩어지고, 느리고 찬 분자는 위에 남게 된다는 사실, 기억하고 있을 것이다. 증발이 많이 될수록 물은 더 빨리 차가워지고, 그러므로  더 빨리 얼게 된다.

 

다른 요인이 두어 가지 더 있지만 크게 염두에 두지 않아도 될 내용이다. 중요한 것은, 더운 물이 찬 물보다 빨리 어는 것은 아니라는 점이다. 아주 뜨거운 물이 어중간하게 뜨거운 물보다 빨리 언다는 것이 진상이다.

[출처] 뜨거운 물이 찬 물보다 빨리 언다?|작성자 디자인어

21세기 과학난제 엠펨바 효과는 진짜일까? 하지만 월커 교수 자신의 말대로 이 실험은 “논란을 해결할 수는 없었다.” 엠펨바 효과에 대해 물리학자들은 아직 실제로 일어나는 건지 아닌지를 결론을 못내리고 있다.

▲ 물이 얼음으로 바뀌는 과정은 아직 완전히 밝혀지지 않았다. 뜨거운 물이 차가운 물보다 빨리 어는가 하는 간단한 문제조차도 아직 해결되지 않은 난제다.

간 단해보이는 엠펨바 효과에 대한 증명은 왜 이렇게 힘든 것일까? 그 이유는 실험을 재현하기가 너무나도 어렵기 때문이다. 어떤 때에는 엠펨바 효과가 나타나고 어떤 때는 그렇지 않았다. 과학은 누군가가 실험에 성공하면, 다른 과학자들도 그 실험을 해보아서 같은 결과를 얻어야 하는 재현성을 바탕으로 발전해왔다. 그래서 과학에서 속임수를 쓰기란 쉽지 않다. 엠펨바 효과에 대해서, 어쩔 땐 되고 어쩔 땐 안 되는 식의 결과는 과학자들에게 받아들이기 쉽지 않다.

엠펨바 효과의 실험이 재현하기 어려운 까닭은 너무 많은 변수가 포함되어 있기 때문이다. 물의 양뿐 아니라 담은 용기의 모양, 냉동실의 모양 등 여러 환경 요인이 엠펨바 효과의 실험에 영향을 미친다. 그래서 일부 과학자들은 엠펨바 효과가 증명하기가 불가능할 것이라고 생각하기도 한다. 뿐만 아니라 질문이 너무 애매모호하기 때문에 엠펨바 효과의 증명이 더욱 어렵다고 얘기하는 과학자도 있다. 단지 뜨거운 물이 차가운 물보다 빨리 언다는 식의 문제의 정의가 더욱 증명을 어렵게 한다는 것이다.

예를 들어 똑같은 양의 1℃의 물과 99℃의 물은 분명 1℃의 물이 빨리 얼게 분명하다. 따라서 이 경우에는 엠펨바 효과가 맞지 않다. 그래서 남 일리노이 대학의 물리학자인 문희 정 교수는 엠펨바 효과를 증명하려면 문제를 보다 구체적으로 정의할 필요가 있다고 말한다.

이렇게 엠펨바 효과에 대한 연구는 아직 안개 속에 있는 가운데, 일부 과학자들은 엠펨바 효과가 일어나지 말라는 이유가 없다고 주장한다. 물의 상전이 현상에 대해 전문가인 프린스턴 대학의 물리학자 파블로 데베네데티는 엠펨바 효과를 지지하는데, 그는 “나는 어떤 특정 조건에서 뜨거운 물이 차가운 물보다 더 빨리 얼 수 있음을 보여주는 관측에 대해 의심할만한 어떤 이유를 찾을 수 없었다”라고 말했다.

기화: 뜨거운 물에서 증발이 많기 때문?

어찌되었건 엠펨바 효과는 어떤 이유에서 일어나는 것일까? 과학자들은 엠펨바 효과에 대해 어떤 이론을 세웠을까? 과학자들은 최소한 한 가지 이상의 이유가 있을 것으로 생각한다. 그렇다면 어떤 이론들이 제시 되었는지를 살펴보자.

과 학자들이 엠펨바 효과에 대해 가장 먼저 내놓은 이론은 기화에 의한 설명이다. 뜨거운 물은 차가운 물보다 빨리 증발한다. 따라서 처음에는 같은 양일지라도 뜨거운 물은 차가운 물보다 기화현상이 많이 일어나 양이 조금 줄어들 것이다. 따라서 이런 작은 양의 변화가 뜨거운 물이 차가운 물보다 더 빨리 얼게 한다는 것이다.

▲ 뜨거운 물은 차가운 물보다 증발량이 많다. 그래서 처음에 같은 양이라도 뜨거운 물이 차가운 물보다 양이 적어질 수 있다. 그래서 뜨거운 물이 차가운 물보다 빨리 어는 걸까?

기 화가 엠펨바 효과의 이유라고 주장한 사람은 엠펨바와 오스본과 별도로 엠펨바 효과를 재발견한 캐나다 물리학자 조지 켈이었다. 그는 엠펨바 효과를 소개하면서 기화로 이 현상을 설명하려고 수학적인 시도를 했다. 켈은 수학적으로 기화에 의한 효과를 계산해냈는데, 뜨거운 물이 차가운 불보다 빨리 얼 수 있는 초기 온도가 존재한다는 결과를 얻었다. 그래서 기화는 엠펨바 효과의 가장 그럴 듯한 이유가 되었다.

하지만 기화가 엠펨바 효과를 완전히 설명해주지 못했다. 엠펨바와 오스본의 실험을 비롯해 많은 실험 결과를 제대로 설명할 수 없을 정도로 기화 효과가 미미했기 때문이다. 더군다나 기화의 효과를 없애기 위해 닫혀있는 용기로 한 실험에서도 엠펨바 효과가 나타나, 기화 이론은 엠펨바 효과를 제대로 설명해주지 못한다는 사실이 판명되었다.

대류: 위층과 아래층의 물 온도 차가 커서?

대 류로 풀어보려는 과학자도 있다. 처음에는 전체적으로 온도가 같던 물이라도 점점 식으면서 용기에 담긴 물의 온도가 모두 균일하지 않게 된다. 외부에 접촉한 곳이 먼저 식고 그렇지 않은 곳은 여전히 따뜻한 상태로 있다. 그렇게 되면 대류 현상에 의해 상대적으로 따뜻한 물이 윗부분으로 이동하고 상대적으로 차가운 물은 아래쪽으로 가게 된다. 평균 온도가 같더라도 대류 현상이 얼마나 활발하냐에 따라 윗부분과 아랫부분은 온도 차이가 커질 수 있다. 만약 클 경우, 빨리 차가워질 것이다.

만 약 같은 30℃의 물이라도, 전체적으로 균일한 30℃의 물보다 위층은 30℃보다 뜨겁고, 아래층은 30℃보다 차가운 물이 더 빨리 열을 잃게 된다. 엠펨바 효과에서 뜨거운 물은 차가운 물보다 초기에 외부로 잃게 되는 열의 양이 많다. 따라서 대류현상이 뜨거운 물에서 더 활발해진다. 그렇게 되면 뜨거운 물에서는 차가운 물보다 위층의 물이 아래층 물보다 온도가 더 높다. 이렇게 되면 차가운 물보다 뜨거운 물이 외부로 열을 더 빨리 뺏길 수 있게 된다.

실제로 물의 온도를 균일하게 해주는 위해 물을 가볍게 휘저어주는 것만으로도, 어는데 걸리는 시간이 늘어난다는 실험결과도 있었다. 하지만 대류에 의한 효과가 얼마나 되는지를 파악하기는 쉽지 않다. 뿐만 아니라 대류현상은 용기의 모양에 매우 영향을 많이 받기 때문에 저마다 다른 용기 모양에서 얼마나 대류가 얼마나 영향을 미치는지를 알기가 어렵다.

용해 기체: 차가운 물에 더 많은 기체가 녹아 있어서?

또다른 설명은 용해 기체이다. 뜨거운 물에는 차가운 물보다 기체가 덜 녹아 있다. 물을 끓이면 대부분의 용해 기체는 밖으로 빠져나간다. 따라서 용해 기체의 양이 물의 성질에 변화를 줄 수 있다는 게 이 이론의 핵심이다.

예 를 들어 용해 기체는 물에게 불순물이므로, 용해 기체가 많으면 어는점이 떨어지는 효과를 줄 수 있다. 따라서 불순물이 많은 차가운 물은 뜨거운 물보다 더 낮은 온도에서 얼게 된다. 그래서 엠펨바 효과가 나타난다는 것이다. 실험적으로 용해 기체의 효과를 보이려는 연구들이 몇몇 있었다. 하지만 용해 기체의 영향을 없애기 위해, 뜨거운 물과 차가운 물 모두 미리 끓인 실험에서도 여전히 엠펨바 효과가 나타나, 용해 기체 이론 역시 설득력이 떨어진다.

주변 환경: 뜨거운 물이 냉장고의 서리를 녹여서?

▲ 뜨거운 물이 냉동실에 낀 서리를 녹여 차가운 물보다 빨리 언다는 주장도 있다.

한편 뜨거운 물이 애초에 주변의 환경을 변화시킴으로써 더 빨리 언다는 주장도 있다. 서리가 낀 냉장고에 뜨거운 물과 차가운 물을 넣으면, 뜨거운 물이 담긴 용기 아래의 서리는 녹게 된다.

따라서 뜨거운 물은 냉장고의 더 잘 접촉함으로써 열이 더 잘 전달된다. 하지만 이 주장 역시 반박을 받았다. 서리가 끼지 않는 실험실 냉동고에서도 엠펨바 효과가 나타났기 때문이다.

과냉각: 뜨거운 물이 차가운 물보다 높은 온도에서 얼어서?

가장 최근에 나온 이론은 과냉각이다. 물은 0℃부터 얼기 시작한다고 잘 알려져 있다. 하지만 0℃라고 해서 무조건 물이 얼지 않는다. 0℃보다 낮은 온도에서도 어는데, 이런 현상을 과냉각이라고 한다.

물은 액체상태에서 고체상태인 얼음으로 되려면 응결핵이 필요하다. 응결핵이 없으면 물은 0℃ 이하에서도 얼지 않는다. 이런 과냉각 현상은 종종 일어난다.연구에 따르면 뜨거운 물이 차가운 물보다 과냉각 현상이 덜 나타난다는 것이다.

한 실험에 따르면 뜨거운 물이 약 영하 2℃에서 얼은 반면 차가운 물은 영하 8℃에서 얼었다고 한다. 만약 이것이 맞는다면 엠펨바 효과는 과냉각으로 설명될 수 있다. 하지만 왜 뜨거운 물이 차가운 물보다 과냉각 현상이 덜 나타나는지에 대해서는 의견이 분분할 뿐이다.
뜨거운 물이 차가운 물보다 빨리 언다?

뜨거운 물이 차가운 물보다 빨리 언다? 처음 들으면 이 질문은 상당히 쉬운 문제로 느껴진다. 하지만 아직까지도 엠펨바 효과를 설명해주고 결정적인 증거를 제공해줄만한 이론은 없다.

엠 펨바 효과는 진짜일까? 아님 실험적인 오류일까? 진짜라고 했을 때 엠펨바 효과는 얼마나 중요한 의미를 가질까? 2006년, 미 물리학회지가 발행하는 월간지인 Physics World에 과학저널리스트인 필립 볼이 이 문제에 대해서 이렇게 말했다. “엠펨바 효과가 실제일지라도, 즉 뜨거운 물이 차가운 물보다 빨리 얼지라도, 이를 설명하는 일이 하찮고 시시한 일일지 아니면 눈부신 과학 업적일지는 확실치 않다”고.

분명 이 문제는 하이테크 기술을 요구하지 않는다. 그래서 이 문제는 과학경진대회에 나가고자 하는 중고등학생이나 대학생들이 시도해볼만 하다. 해외에서는 이 문제가 과학경진대회에 심심치 않게 등장한다.

그럼에도 불구하고 지난 2000여년 동안 풀리지 않는 난제임은 분명하다. 어쩌면 이 문제는 20세기에 한 중학생이 재발견했듯, 21세기에 어느 학생이 우연히 해결해낼지도 모른다. 한번 시도해보는 건 어떨까?

박미용 기자 | pmiyong@gmail.com

 

저작권자 2008.04.10 ⓒ ScienceTimes

[출처] 뜨거운 물이 차가운 물보다 빨리 언다?|작성자 레고랑

 

-지식인에서 떠돌아다니는 글을 건져온것

과제연구로 했다가 아작날 주제인것같네

 

답변 : 제가 보아도 신기 합니다.

       온도 차이가 많이 나는디~~~.