역사
뜨거운 물이 더 빨리 언다는 관찰은 아리스토텔레스, 프랜시스 베이컨, 데카르트의 글에도 나와요(Jeng, 2006). 현대에 다시 주목받은 계기는 탄자니아의 중학생 에라스토 음펨바예요. 그는 1963년 아이스크림 재료를 식히지 않고 냉동실에 넣었더니 먼저 얼었다는 것을 발견했고, 이후 대학교수 오즈번과 함께 1969년 『Physics Education』에 「Cool?」이라는 논문을 발표했어요.
제시된 원인 가설
- 증발: 뜨거운 물은 증발로 질량이 줄고 증발 잠열로 열을 잃어요.
- 대류: 뜨거운 물은 내부 대류가 강해 표면 온도가 높게 유지되므로 위쪽 표면으로 열을 더 빨리 잃을 수 있어요. 음펨바와 오즈번도 이 설명을 잠정적으로 제시했어요.
- 용존기체: 끓이거나 데운 물은 녹아 있는 기체가 적어 어는 성질이 달라질 수 있어요.
- 과냉각: 물은 0°C 아래에서도 얼지 않는 과냉각 상태를 거치는데, 처음 온도에 따라 과냉각 정도가 달라 결빙 시작 시점이 바뀔 수 있어요.
- 환경 요인: 뜨거운 용기가 냉동실 바닥의 서리를 녹여 열 접촉이 좋아지는 등 실험 조건의 차이.
열이 이동하는 방식 자체는 열전달 문서에서 자세히 볼 수 있어요.
재현성 논쟁
정(Jeng, 2006)은 이 현상이 여러 실험에서 관찰되었지만 "언다"의 정의(결빙 시작, 완전 결빙 등)와 조건에 따라 결과가 크게 달라진다고 정리했어요. 버리지와 린든(Burridge & Linden, 2016)은 통제된 실험과 선행 연구 검토를 통해 처음에 더 뜨거운 물이 0°C에 더 빨리 도달한다는 의미 있는 증거를 찾지 못했다고 보고했어요. 그래서 음펨바 효과는 과학에서 가설의 정확한 정의, 측정 조건, 재현의 중요성을 보여 주는 사례로 자주 다뤄요.
최근 연구
물이 아닌 계에서는 비평형 통계역학의 관점에서 "멀리 떨어진 상태에서 출발한 계가 더 빨리 평형에 이르는" 음펨바형 현상을 이론적으로 제시하고, 콜로이드 입자 실험 등에서 관찰한 연구가 나왔어요. 이는 열역학 법칙을 위반하는 것이 아니라 초기 상태에 따라 이완 경로가 달라진다는 의미예요.
캠퍼스다운 자료실에는 이 이론을 다룬 자료도 있어요: 「리프킨 엔트로피 독후감, 엔트로피 법칙과 세계관」, 「음펨바 효과 발표자료: 뜨거운 물이 빨리 어는 이유, 불순물과 수소결합 가설, 열역학 법칙과 활용」.
이 이론을 다룬 레포트·발표 자료는 캠퍼스다운 자료실의 '음펨바 효과' 레포트 검색에서 찾아볼 수 있어요.
참고문헌
- Mpemba, E. B., & Osborne, D. G. (1969). Cool? Physics Education, 4(3), 172-175.
- Jeng, M. (2006). The Mpemba effect: When can hot water freeze faster than cold? American Journal of Physics, 74(6), 514-522.
- Burridge, H. C., & Linden, P. F. (2016). Questioning the Mpemba effect: Hot water does not cool more quickly than cold. Scientific Reports, 6, 37665.