뜨거운 물이 찬물보다 먼저 어는 현상은 왜 일어날까?

 한여름에 시원한 음료를 먹기 위해서 얼음 틀에 물으르 채워 냉동실에 넣으려고 합니다. 이때 얼음을 빨리 얼리고 싶다면 어떻게 해야 할까요? 차가운 물을 넣어야 할까요? 뜨거운 물을 넣어야 할까요?

아마 많은 사람들이 당연하게도 얼음이니까 0도에 가까운 차가운 물을 넣을 것이라고 생각할 것입니다. 뜨거운 물이 차갑게 식는 시간이 있으니 당연하게 더 걸릴것으로 생각하기 마련입니다. 일반적인 상식을 가진 사람이라면 이것이 일반적입니다. 하지만 특정조건에서는 뜨거운 물이 차가운 물보다 빠르게 얼어버리는 역전 현상이 일어나기도 합니다. 과학계에서는 음펨바 효과라고 부르는데요. 미스터리한 상황이 왜 일어나는지 알려드리겠습니다.

상식이 깨진 발견

위대한 과학적 발견은 일반적으로 과학자라고 생각하기 쉽지만 평범한 아프리카의 중학생이라고 합니다. 일반인에 발견된 상식이 깨진 상황으로 알려졌습니다. 학교 실습실에서 아이스크림을 만들려더 음펨바는 끓인 우유를 식힐 시간이 없어서 그대로 뜨거운 우유늘 냉동실에 집어 넣었습니다. 그런데 차갑게 식힌 우유를 넣은 친구들보다 자신의 뜨거운 우유가 먼저 얼게 된 것을 발견하게 됩니다. 그래서 선생님에게 왜 뜨거운 물이 찬물보다 먼저 얼게 되는지 물어보게 되는데요. 처음에는 모두 비웃었지만 실제로 실험을 다시 해본 결과 진짜로 밝혀지고 공식적인 논문을 발표하게 됩니다.

뜨거운 물이 왜 먼저 얼까?

아리스토텔레스와 데카르트는 이러한 현상을 기록으로 남겼지만 현대 과학자들이 이것을 정답이라고 증명하지 못하였는데요. 다만 유력한 가설은 존재합니다.

증발 효과

뜨거운 물은 차가운 물보다 공기 중으로 수증기가 되어 날아가는 증발이 더 활발하게 일어납니다. 그렇기 때문에 냉동실에 들어간 뜨거운 물은 식는 과정에서 수분이 쉴 새 없이 증발하여 전체적인 물의 양이 줄어들게 됩니다.

얼려야 하는 물의 양이 적어지니 당연하게 얼음으로 변하는 시간도 짧아지게 됩니다. 사람들이 무거운 옷을 입고 달리다가 옷을 벗어 버리면서 결승점을 통과하는 원리와 같습니다.

활발한 대류 현상

액체는 뜨거울수록 위로 올라가고 차가울수록 아래로 가라앉는 대류 현상이 일어납니다. 뜨거운 물의 경우에는 위와래의 차이가 크기 때문에 대류 현상이 더 활발하게 일어납니다. 이때 물 분자들이 회전하면서 대류가 일어나고 뜨거운 물이 빠르게 어는 점 가까이 내려가게 됩니다.

용존 가스의 차이

물속에는 눈에 보이지 않는 공기가 녹아 있는데 이것을 용존 가스라고 합니다. 물을 끓이게 되면 용존가스 거품이 되어 대부분 밖으로 빠져나오게 됩니다. 물속에 불순물이 많으면 물 분자끼리 손을 잡고 모두 빠져 나간 순수한 물은 결정을 방해하는 장애물이 없는 텅 빈 공간이 되어버려서 순식간에 얼음이 될 수 있다는 원리입니다.

수소 결합

화학적 관점에서 제시한 유력한 가설로 수소 결합이 있습니다. 물 분자는 수소 결합이라는 네트워크로 결합되어 있습니다. 물이 뜨거워지면 분자 사이에 간격이 넓어지며 수소 결합이 길게 늘어나고 분자 내부의 공유결합은 압축됩니다. 이때 에너지가 엄청나게 많이 저장되는데요. 냉동실에 들어가면 압축된 에너지가 폭발적으로 방출되어 기하급수적으로 물을 냉각시킨다는 가설입니다.

무조건 뜨거운 물이 먼저 얼까?

당장 집에 가서 실험을 해보면 무조건 뜨거운 물이 먼저 얼게 될까요? 하지만 아쉽게도 꼭 그렇게 되지는 않습니다. 음펨바 효과가 아직까지 미스터리한 상황으로 남아있는 이유가 바로 조건이 너무 까다롭기 때문입니다.

물을 담은 그릇과 냉동시리 안의 공기 흐름, 물의 초기 온도, 냉동실의 성에 유무 등 여러가지 변수가 모두 맞아야 음펨바 효과가 나타납니다. 즉 특정 조건이 맞아야 뜨거운 물이 찬물보다 먼저 얼게 되는 것입니다. 그래서 아직까지 확실한 원리를 알지 못하고 가설을 이야기할 뿐입니다.

음펨바 효과를 3가지로 요약해 드리겠습니다.

• 음펨바 효과는 아프리카의 학생이 우현이 아이스크림을 만들다가 특정 조건에서 뜨거운 물이 찬물보다 먼저 어는 역전 현상을 발견한 것을 말합니다.
• 대표적인 가설로, 증발, 대류, 용존 가스 부족, 수소 결합이 있습니다.
• 주변의 미세한 환경으로 결과가 달라져서 아직도 정답이 밝혀지지 않은 미스터리입니다.

모두가 차가운 물이 빨리 언다고 생각할 때 왜 뜨거운 물이 먼저 얼까 생각한 호기심이 우리의 고정관념을 바꾸게 되었습니다. 여러분도 작은 호기심을 놓치지 말고 새로운 세상을 열기 위해 고정관념을 바꿔보시기 바랍니다.