뜨거운 물이 찬 물보다 빨리 언다

냉동실에 같은 양의 뜨거운 물과 찬물을 동시에 넣으면 어느 쪽이 먼저 얼음이 될까? 우리의 일상적인 상식과 직관은 당연히 찬물이 먼저 얼 것이라고 대답한다. 뜨거운 물이 어는점까지 온도가 내려가려면 먼저 찬물의 온도까지 도달해야 하고, 그만큼의 시간이 더 걸리기 때문이다. 이것은 열역학의 가장 기본적인 상식처럼 보인다. 그러나 놀랍게도 특정한 조건 하에서는 이 상식을 비웃기라도 하듯 뜨거운 물이 찬물보다 더 빨리 어는 기이한 현상이 발생한다. 물리학계에서 가장 오래되고 논쟁적인 미스터리 중 하나로 꼽히는 이 현상은 '음펨바 효과(Mpemba Effect)'라고 불린다. 고대 철학자 아리스토텔레스와 근대의 르네 데카르트, 프랜시스 베이컨 같은 거장들 역시 과거에 비슷한 현상을 관찰하고 기록에 남겼으나, 오랫동안 과학적 근거가 부족한 착각이나 오류로 치부되어 왔다. 그러던 중 1960년대 아프리카의 한 중학생에 의해 우연히 재발견되면서 비로소 정식 과학 연구의 영역으로 들어오게 되었다. 물이라는 흔하고 친숙한 물질이 품고 있는 이 반항적인 성질은 도대체 어디서 오는 것일까? 단순해 보이지만 수많은 과학자들을 골탕 먹인 이 기묘한 현상의 비밀을 살펴보자.

아이스크림을 만들던 소년의 위대한 발견

이 기이한 현상이 현대 과학계에 공식적으로 알려진 계기는 매우 흥미롭다. 1963년 탄자니아의 중학생 에라스토 음펨바는 학교 요리 시간에 아이스크림을 만들고 있었다. 우유와 설탕을 끓인 혼합물을 식힌 후 냉동실에 넣어야 했지만, 자리가 부족해질 것을 걱정한 음펨바는 뜨거운 상태의 혼합물을 그대로 냉동실에 밀어 넣었다. 그런데 놀랍게도 미지근하게 식혀서 넣은 친구들의 것보다 그의 뜨거운 혼합물이 먼저 꽁꽁 얼어붙어 있었다. 호기심을 느낀 음펨바는 물리학 교사에게 이 현상에 대해 질문했지만, 교사는 "그건 보편적인 물리학이 아니라 너만의 음펨바 물리학이다"라며 조롱 섞인 핀잔을 주었다. 그러나 음펨바는 포기하지 않았다. 훗날 학교를 방문한 물리학자 데니스 오스본 박사에게 다시 똑같은 질문을 던졌고, 오스본 박사는 호기심을 안고 실험실로 돌아가 직접 실험을 진행했다. 놀랍게도 소년의 말은 사실이었다. 1969년 두 사람은 이 현상을 공동 논문으로 발표했고, 학계는 큰 충격에 빠졌다. 뜨거운 물이 더 빨리 어는 현상에 소년의 이름이 붙어 '음펨바 효과'가 탄생한 역사적인 순간이었다.

현상을 설명하기 위한 다양한 가설들

음펨바 효과가 세상에 알려진 이후 수십 년 동안 전 세계의 수많은 물리학자와 화학자들이 이 현상의 원인을 밝히기 위해 뛰어들었다. 하지만 물이 어는 과정이 워낙 복잡한 탓에 여전히 하나의 완벽한 정답은 나오지 않고 여러 가설들이 팽팽하게 맞서고 있다. 가장 고전적인 가설은 증발(Evaporation) 현상이다. 뜨거운 물은 찬물보다 표면에서 수분이 더 빨리 증발한다. 증발로 인해 물의 전체 질량이 줄어들면, 냉각해야 할 질량 자체가 적어지므로 더 빨리 얼 수 있다는 것이다. 또 다른 가설은 대류(Convection) 효과다. 뜨거운 물을 냉동실에 넣으면 물의 표면과 바닥 사이의 온도 차이가 찬물보다 훨씬 크게 발생한다. 이 큰 온도 차이는 물 내부에 강력한 대류 흐름을 만들어내어 열을 밖으로 더 빠르게 방출하도록 돕는다는 주장이다. 이 밖에도 끓인 물은 내부에 녹아 있던 용존 가스(불순물)가 빠져나가면서 어는점이 상승하여 더 빨리 얼게 된다는 가설, 물을 담은 용기가 뜨거울수록 냉동실 바닥의 성에를 녹여 열전도율을 높인다는 가설 등 수많은 아이디어들이 쏟아져 나왔다. 그러나 이들 중 어떤 것도 모든 상황에서 일어나는 음펨바 효과를 완벽하게 설명해내지는 못했다.

물 분자의 수소 결합에 숨겨진 비밀

최근 들어 가장 설득력을 얻고 있는 가설은 물 분자(H2O) 특유의 분자간 상호작용인 '수소 결합(Hydrogen Bond)'에서 원인을 찾는 것이다. 물 분자는 산소 원자 하나와 수소 원자 두 개로 이루어진 공유 결합 구조를 가지며, 이웃한 물 분자들과는 수소 결합이라는 전기적 힘으로 거미줄처럼 얽혀 있다. 난양공학대학교 연구진은 물을 가열하면 이 수소 결합의 간격이 멀어지면서 팽창하고, 반대로 분자 내부의 공유 결합은 용수철처럼 압축되어 에너지를 축적한다고 설명했다. 뜨거운 물이 냉동실에 들어가 냉각이 시작되면, 멀어졌던 수소 결합이 다시 수축하면서 물 분자들이 맹렬하게 에너지를 방출하게 된다. 마치 팽팽하게 당겨진 고무줄을 놓았을 때 에너지가 한꺼번에 방출되는 것과 같은 이치다. 이렇게 분자 수준에서 에너지를 기하급수적으로 방출하는 속도가 워낙 빠르기 때문에, 단순히 찬물이 온도를 낮추는 속도를 추월하여 더 빨리 상전이(얼음)를 일으킨다는 것이다. 이 가설은 물의 독특한 양자역학적 특성과 결합 구조를 바탕으로 현상을 설명하여 학계의 큰 호응을 얻었다.

과랭각과 에너지 지형의 미스터리

음펨바 효과의 복잡성을 더하는 또 다른 요인은 과랭각(Supercooling) 현상이다. 물은 섭씨 0도가 되었다고 해서 즉시 얼지 않는다.