뜨거운 물이 차가운 물보다 빨리 어는 과학적 원리가 뭔가요?

Question

일반적으로 생각할때 차가운물이 뜨거운물보다 빨리 언다고 생각했는데 예전 과학관련 영상에서 언뜻보니 뜨거운 물이 차가운물보다 빨리 언다고 해서 좀 의아해했는데요. 어떤 과학적 원리로 이런 현상이 일어나는지 궁금해요.

Answer 1

안녕하세요. 안상우 과학전문가입니다.

물이 얼기 위해서는 물이 차가운 상태가 될 수 있도록 열을 빼앗겨야 합니다이 열을 뺏기기 위해서는 물이 찬 물건이나 공기에 접합되어야 하는데 이런 경우 물 내부의 대류가 잘 일어나서 내부에 있는 열을 바깥으로 배출해 낼 수 있어야 합니다.

차가운 물보다 뜨거운 물의 경우에는 물의 온도 차이가 커지게 되어 내부에서 대류가 더 잘 일어나기 때문에 내부에 있는 열을 밖으로 잘 방출할 수 있게 됩니다.

이런 원인으로 뜨거운 물이 차가운 물보다 쉽게 온도가 내려가고 더 빠르게 얼 수 있습니다

Answer 2

안녕하세요. 손호현 과학전문가입니다.

Mpemba effect 음펨바 효과

'비교적 뜨거운 액체'가 '비교적 차가운 액체'보다 더 빨리 고체로 상전이하는 현상을 의미한다. 상식적으로 이해하기 힘들고 그만큼 드물지만 엄연히 관측되는 현상이며, 동시에 현재까지 정확한 원인이 밝혀지지 않은 물리학의 난제 중 하나이다.

당연히 모든 상황과 조건에서 뜨거운 액체가 더 빨리 어는 것은 아니며 대부분의 경우는 차가운 액체가 빠르게 언다. 그릇 모양이나 불순물의 유무 등 각종 변수에 따라서 이 효과가 명백히 관측될 수도, 또는 미미하여 관측되지 않을 수도 있다. 덕분에 실험을 하더라도 효과를 재현하기가 일단 쉽지 않은 것도 하나의 난점인데, 일단 《뉴 사이언티스트》에 따르면 섭씨 35도와 5도의 물을 각각 비교할 때 효과가 극대화된다는 모양. 또한 음펨바 효과를 엄밀하게 정의하려면 "언다"라는 것이 정확히 무엇인지 짚는 것부터 선행되어야 한다("언다"에 대한 학설 제시). 이를테면 섭씨 0도에 도달한 순간인지(어는점 도달설), 얼음 결정이 만들어지는 순간인지(결정 생성 시작설), 아니면 액체인 물이 완전히 고체가 되는 순간인지(결정 생성 완료설) 등 "언다"라는 단어로 일컬을 수 있는 모든 경우의 수(→학설)를 모조리 짚어낸 다음 각 경우의 수별로 하나하나 논리적으로 짚어나갈 필요가 있다(=법률적 사고방식). 재현이 쉽지않다는 점 때문에 음펨바 효과를 부정하는 학자도 많다. 뜨거운 물이 빨리 어는 경우는 차가운 물쪽에 과냉각 현상이 나타난 것이라고...

혹한기에 지붕 등에 쌓인 눈이나 얼음을 빠르게 처리하려고 뜨겁게 데운 물을 썼다가 금방 얼어 버리는 현상을 음펨바 효과와 혼동할 수 있으나, 단순히 뜨거운 물이 빨리 얼어붙는 것은 음펨바 효과와는 거리가 멀다. 같은 상황에서 찬물보다 뜨거운 물이 빨리 어는 효과가 음펨바 효과인데 이를 단순히 뜨거운 물이 매우 추운 기온에서 빨리 어는 것과 혼동하지 말자. 오이먀콘 같은 영하 48도 이하의 매우 추운 지역에서 컵에 담긴 뜨거운 물을 공중에 뿌리면 순식간에 눈보라처럼 얼어버리는 것도 마찬가지.

Answer 3

안녕하세요. 이충흔 과학전문가입니다.

뜨거운 물이 차가운 물보다 빨리 어는 이유는 바로 차가운 물보다 상대적으로 긴 분자 간 거리로 인해 뜨거운 물이 방출하는 에너지가 더 많기 때문입니다. 즉, 뜨거운 물은 축적된 에너지양이 많아 냉각 시 더 빠른 속도로 에너지를 방출하게 되는 것이랍니다.

이 원리는 첫 발견자의 이름을 따서 '음펨바 효과'라고 부르게 되었어요.

Answer 4

안녕하세요. 김재훈 과학전문가입니다.

뜨거운 물이 차가운 물보다 빨리 어는 현상을 음페바 효과라고 하며 과학적 원리는 대류와 과냉각입니다.

대류란, 온도가 다른 물질 사이에서 열이 이동하는 현상입니다. 뜨거운 물은 차가운 물보다 온도가 높기 때문에, 표면에서 열을 잃게 됩니다. 이로 인해 뜨거운 물의 표면은 차가워지고, 밀도가 높아지게 됩니다. 밀도가 높은 물은 아래로 가라앉고, 밀도가 낮은 차가운 물은 위로 올라오게 됩니다. 이 과정을 반복하면서, 뜨거운 물은 빠르게 냉각됩니다.

과냉각이란, 액체의 온도가 액체의 액체화 온도보다 낮아지면서도 얼지 않는 현상입니다. 뜨거운 물은 차가운 물보다 과냉각 상태에 빠질 가능성이 더 높습니다. 이는 뜨거운 물은 차가운 물보다 수소결합이 더 강하게 형성되어 있기 때문입니다. 수소결합은 물 분자 사이에 형성되는 약한 화학 결합으로, 온도가 낮아지면 수소결합이 더 강하게 형성되어 과냉각 상태를 유지하게 됩니다.

하지만 이 두 가지 원리도 가설일뿐 아직 음페바효과에 대한 점확한 원리는 밝혀지지 않았습니다