엘사의 얼음 마법 현실 버전
엘사의 얼음 마법 현실 버전
  • 남두호
  • 승인 2018.09.27 13:55
  • 조회수 3702
  • 댓글 1
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"두꺼운 외투를 입은 한 남자가 물이 담긴 냄비를 들고 아파트 베란다로 나온다. 물을 밖으로 끼얹자 물은 금새 공기 중에 얼어붙어 폭포처럼 서서히 땅으로 낙하한다."

 

'러시아 날씨 클라스'라는 영상의 내용이다. 물이 급속 냉각되는 현상을 통해 러시아의 추위 수준을 가늠케한다. 이를 본 누리꾼들은 "러시아의 추위가 이 정도였어?"라는 반응을 보이며 SNS상에서 화제를 모은 바 있다.

 

사실 이 영상 속에는 한 가지 비밀이 숨겨져 있다. 바로 뜨거운 물을 사용했다는 점이다. 다시 말해, 영상 속 실험은 뜨거운 물이 차가운 물보다 더 빨리 언다는 '음펨바 효과(Mpemba effect)'를 이용한 영상이다.

 

물 분자는 1개의 산소 원자와 2개의 수소 원자로 이뤄져있다.
물 분자는 1개의 산소 원자와 2개의 수소 원자로 이뤄져있다. 출처: 네이버 지식백과

물이 얼음이 되는 원리



물은 1기압 기준으로 0℃에서 얼고, 0℃에서 녹으며, 100℃에서 끓는다. 이는 물의 특성 중 하나인 수소결합을 통해 설명할 수 있다. 물(H2O)은 2개의 수소 원자(H+)와 1개의 산소 원자(O-2)로 구성돼 있으며 수소 원자는 전자를 1개씩 내어서 산소 원자와 전자쌍을 공유하며 공유결합을 이룬다.



이때 전자쌍은 전기음성도가 더 큰 산소 원자 쪽에 위치해 산소 원자는 약한 음전하(-)를 띠고, 수소 원자는 극성을 띠게 된다. 따라서 극성을 띤 물 분자끼리는 전기적 인력에 의해 수소결합을 하며 강한 응집력을 갖는다. 온도가 낮아질 경우 물 분자의 수소결합은 더 강해지며 육방형(그물코 모양)의 결정을 형성하기 시작한다. 반대로 온도가 높아질수록 수소결합은 약해지고 100℃에서 끊어지면서 기화된다.



뜨거운 물이 더 빨리 언다고?!
 

이 같은 상식에 반하는 과학적 현상이 '음펨바 효과'이다. 음펨바의 효과는 1963년 탄자니아에서 당시 중학생이었던 '에라스토 음펨바'에 의해 발견됐다. 이 학생은 수업 중 충분히 식혀 냉동실에 넣어야 할 아이스크림 원료를 무심코 냉동실에 넣었다. 이후 결과물을 살펴보니 식히지 않고 얼린 자신의 혼합용액이 충분히 식히고 얼린 다른 친구의 것보다 먼저 어는 것을 확인했다.
 

이후 음펨바의 호기심은 과학계로 퍼졌고, 수차례 실험을 통해 뜨거운 물이 차가운 물보다 빨리 언다는 사실이 입증하게 됐다. 하지만 누구도 왜 그런 현상이 발생하는지 이론적으로 규명하지는 못했다. 이유는 명확하게 설명하지 못했지만 엄연히 우리 주변에서 관측되는 과학적 현상, '음펨바 효과'는 그렇게 한 동안 현대과학으로도 풀지 못하는 난제로 꼽혔다.

 

음펨바 효과로 엘사의 얼음마법을?!
음펨바 효과로 엘사의 얼음마법을?! 출처: 겨울왕국 포스터

마침내 지난 2013년 싱가포르 난양이공대학 연구팀을 통해 원인이 규명됐다. 싱가포르 난양기술대학의 순장칭 교수와 장시 박사팀은 2013년 11월 발표한 논문에서 음펨바 현상의 원인을 수소 결합과 공유 결합의 상관관계에서 찾은 연구 결과를 발표했다. 뜨거운 물은 냉각 시 찬 물보다 더 빠른 속도로 에너지를 방출하게 된다는 내용으로 연구팀은 각각의 물 초기 온도를 다르게 한 뒤 냉각시 에너지 방출량을 측정하며 음펨바 효과를 증명했다.
 

논문에 따르면, 원자와 분자 간 결합 간격은 에너지 축적과 방출에 영향을 준다. 차가운 물은 분자 간 거리가 가까워 에너지를 축적하게 되고, 반대로 뜨거운 물은 분자 간 거리가 멀어 축적했던 에너지를 방출한다. 여기서 중요한 것은, 물은 가열하면 특이하게도 공유 결합 길이를 줄이는 것으로 에너지를 내놓는다. 따라서 뜨거운 물일수록 축적한 에너지를 더 빨리 방출해 빙점에 도달하는 시간이 짧아지는 것이다. 이것이 50년 간 풀리지 않았던 음펨바 효과의 비밀이다.

 

이쯤되니 한 가지 떠오르는 캐릭터가 있다. 바로 애니메이션 <겨울왕국>의 엘사다. 음펨바 효과를 이용한다면 엘사의 얼음 마법도 현실 세계에서 재현해볼 수 있지 않을까?

 

<외부 필진 콘텐츠는 이웃집과학자 공식 입장과 다를 수 있습니다>

 

                                                                          환경영향평가원 남두호(nam2ho@naver.com)


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ekfseo 2018-09-28 09:19:34
음펨바 효과에 의한 현상은 아니고 수증기 응결 현상입니다.