뜨거운 물과 차가운 물, 어느 쪽이 더 빨리 얼까

뜨거운 물과 차가운 물

더운 여름날 물이나 음료수에 얼음을 띄워 마시면 정말 시원하죠? 만약 얼음이 없다면 여름을 나기가 훨씬 더 힘들 거예요. 얼음 틀에 물을 가득 담아 냉동실에 넣어 두면 시원한 얼음을 만들 수 있죠.

얼음과 물은 똑같이 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 이뤄진 분자들로 구성돼 있습니다. 냉동실처럼 주변 온도가 차가운 곳에서는 이 분자들이 모여 육각형 모양의 구조를 만들고, 이것이 결정을 이뤄 단단한 얼음이 만들어집니다.

반대로 따뜻한 곳에서는 이 구조가 약해지면서 얼음이 흐물흐물 녹아 버려 물로 바뀌지요. 온도가 낮은 환경에서는 물 분자들이 주변에 열에너지를 빼앗기면서 안정된 구조를 만들게 되는 반면, 온도가 높은 환경에서는 주변으로부터 열에너지를 흡수한 분자들이 안정된 구조를 벗어나 활발히 운동하기 때문입니다.

차가운 물과 따뜻한 물을 동시에 냉동실에 넣으면 어느 쪽이 더 빨리 얼음이 될까요? 언뜻 생각하기엔 차가운 물이 빨리 얼 것 같죠. 얼음이 차가운 성질을 지녔으니까요. 하지만 실제로는 따뜻한 물이 차가운 물보다 빨리 언답니다.

얼음

음펨바 효과

1963년 탄자니아에 에라스토 음펨바라는 학생이 있었어요. 이 학생은 학교 수업 시간에 아이스크림을 만들던 중 따뜻한 우유와 설탕을 섞어 식히지 않고 냉동실에 넣었어요. 그런데 미리 식힌 상태로 냉동실에 넣었을 때보다 더 빨리 아이스크림이 만들어진 거예요.

이런 현상에 의문을 품은 음펨바는 어느 날 학교에 강연하러 온 물리학자 데니스 오스본에게 자기가 관찰한 것에 대해 얘기했어요. 오스본은 나중에 실험을 통해 음펨바의 말이 사실이라는 점을 확인했어요. 따뜻한 물이 차가운 물보다 더 빨리 얼음이 된 거예요. 그는 실험 결과를 논문으로 발표했고, 이 신기한 현상은 음펨바의 이름을 따서 음펨바 효과 로 불리게 됐어요.

이후 많은 과학자가 음펨바 효과의 원인을 찾아내기 위해 실험을 거듭했어요. 그러나 정확한 원리가 아직 밝혀지지 않은 채 세계 물리학계의 난제로 남아 있어요. 음펨바 효과는 5℃의 물과 35℃의 물을 얼렸을 때 가장 잘 나타난다고 합니다.