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작품번호

46

제60회 경기도과학전람회

본선대회

다양한 조건변화에 따른

음펨바 현상에 관한 연구

출품분야 학생 출품부문 화학

2014. 4.

구 분 성 명

출품자

지도교사

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♦ 목차 ♦

1. 서론

가. 실험 주제 ····························································3

나. 탐구 동기 및 탐구 목적 ···········································3

다. 실험 기간 ····························································4

2. 본론

가. 이론적 배경 ·························································5

1) 음펨바 효과란 무엇인가

2) 음펨바 효과의 가설 및 이론

나. 실험 내용 ·························································· 8

1) 음펨바 효과 재연실험

2) 음펨바 효과 가설 입증실험

3. 결론 및 제언

가. 결론 ·································································19

1) 실험에 대한 결론

2) 논문 비교

나. 제언 ·································································21

4. 출처 ····························································22

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1. 서론

가. 실험 주제 : 음펨바 현상이 일어나는 조건과 가설 입증

나. 탐구 동기 및 탐구 목적

아이스링크 장에서 얼음이 깨진 곳에 물을 붓는 장면을 본 적이 있다. 어린 나는

호기심에 가까이 가서 구경하였었는데, 얼음을 얼릴 때 특별하게 쓰이는 다른 무언

가 인줄 알고 “이건 뭐예요?”라고 물었었다. 그리고 “따뜻한 물이예요”라는 대답을

듣고 놀랐었다. 그 당시에는 ‘얼음에 따뜻한 물을 부으면 녹을 텐데...’라는 생각을

했었던 기억이 난다.

친구들과 아이스링크 장에 대한 이야기를 하던 중 이러한 어릴 적 경험이 떠올라

이야기했다. 궁금증이 생긴 우리는 팀을 구성하여 조사했고, 그 당시 내가 경험했던

것이 음펨바 현상이라는 것을 알게 되었다.

내가 경험한 것 이외에도 겨울철 야외의 수도관 중 따듯한 물이 지나가는 수도관

이 찬물의 수도관보다 빨리 어는 등 일상생활에서 음펨바 현상은 의외로 많이 일어

난다. 하지만 아직까지 그에 대한 정확한 원인은 밝혀지지 않고 다양한 가설만 있

을 뿐이다. 이러한 일상적인 현상이 아직까지도 발생하는 조건과 원인이 정확하게

밝혀지지 않았기 때문에 그것에 대해 알아보고 싶어 실험을 시작하게 되었다.

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다. 실험 기간

⦁2013.7.23. ~ 7.26. : 실험주제에 대한 정보수집과 준비물을 준비하고, 보고서의

전체적인 틀을 잡는데 초점을 두었다.

⦁2013.7.27. ~ 7.29. : 물의 온도와 양을 임의로 정한 후 실험을 해보았지만 음펨

바 효과가 일어나지 않았다. 물을 식힐 때 냉동실에 넣고 식혀서 어는 과정에서

문제가 생긴 것 같다.

⦁2013.7.30. ~ 8.1. : 처음과 같은 조건이지만 온도 맞추는 방법을 달리했다. 찬물

을 식힐 때 주변에 얼음을 두어 식혔다. 하지만 음펨바 효과는 일어나지 않았다.

⦁2013.8.2. : 불순물의 양을 똑같이 하기위해 모두 끓인 물을 사용해서 실험했다.

음펨바 효과는 일어나지 않았다. 다음 실험에서는 조금 더 신속한 실험 진행을 위

해 물의 양과 온도를 식히는 과정에 변화를 줄 것이다.

⦁2013.8.3. ~ 8.4. : 물의 양을 절반으로 하고 컵 사이의 간격이 좁아 어는 과정에

서 열을 방출하면서 서로를 방해하는 것 같아 간격을 두고 실험하였다. 여러 차례

실험을 해보았지만 음펨바 효과는 일어나지 않았다.

⦁2013.8.5. : 혹시 과학실 냉장고가 낡아서 문제가 있는게 아닌가 하여 기숙사 냉

장고로 실험 장소를 옮겼다. 또, 표면적인 넓은 용기에 실험을 하면 음펨바 효과

가 잘 일어난다는 글을 읽고 실험 용기를 바꾸었다.

⦁2013.8.10. ~ 8.24 : 기숙사로 자리를 옮긴 후 실험을 계속하던 중 냉동실의 온

도 또한 중요한 요인이 된다는 생각이 들었다. 냉동실의 온도를 높여 실험을 해

본 결과 -16℃에서 음펨바 효과가 일어났다.

⦁2013.8.30. : 음펨바 재연실험에서 성공한 조건으로 결정 실험을 함. 음펨바 현

상은 일어났으나 부피 차이가 없었다.

⦁2013.9.3. ~ 9.7 : 결정 실험의 부피 차이를 위해 꾸준히 실험을 하였다. 그 결과

3차 실험만에 부피 차이가 났다.

⦁2013.9.8. ~ 9.9 : 대류실험 시작. 열심히 8분마다 저어주었으나 음펨바 효과가

일어났다.

⦁2013.9.10. ~ 9.12 : 불순물 실험 시작. 불순물이 없는 정수기 물로 실험을 해주

었으나 음펨바 효과가 일어났다.

⦁2013.9.15. ~ 9.17 : 열전도 실험 시작. 바닥의 얼음을 모두 제거해준 후 실험을

하였으나 음펨바 효과가 일어났다.

⦁2014.4.5. ~ 4.9 : 과학전람회 예선대회 준비를 위해 다시 재정비를 하였다. 차트

도 만들고 보고서도 다시 확인하였다.

⦁2014.5.1.~5.7 : 냉각 시 주변 환경온도 변인에 따른 음펨바 현상과 표면적에 따

른 음펨바 현상을 실험한 다음 보고서를 작성한다.

⦁2014.5.7.~5.9 : 과학전람회 본선대회 발표연습을 하였다.

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2. 본론

가. 이론적 배경

1) 음펨바 효과란 무엇인가

가) 정의

음펨바 효과는 특정한 상황에서 고온의 물이 저온의 물보다 더 빨리 어는 현상 또

는 그 효과를 말한다.

나) 발견

뜨거운 물이 차가운 물보다 빨리 어는 현상에 대한 최초의 기록은 아리스토텔레스

가 남겼다. 중세 시대에는 그 현상을 증명하기 위한 몇몇 노력이 있었으며 실제 실

험으로 확인을 한 사례도 있었다. 1600년대 경에는 뜨거운 물이 빨리 어는 현상이

상식으로 통할 정도였다고 한다. 하지만 원인을 설명하지 못한데다 직관과 정면으

로 배치되는 현상이었기 때문인지 근대적인 열역학이 본격적으로 태동하면서 잊혀

졌다. 그리고 1969년 탄자니아의 고등학생 에라스토 음펨바가 현대 과학계에 다시

소개할 때까지 거의 300년 동안 주목을 받지 못했다.

음펨바는 마감바 중학교에서 당시 3학년이던 1963년에 이 현상을 처음으로 발견했

다. 음펨바는 아이스크림을 만드는 것을 배우는 조리 수업 중에 우유와 설탕을 혼

합한 용액을 학생들이 많은지라 냉장고의 자리를 차지하기 위해 그대로 식히지도

않고 뜨거운 상태로 냉장고에 넣어 얼렸는데, 다른 학생들의 식히고 나서 얼린 것

보다 먼저 어는 것을 발견하게 되었다. 그 후 음카와 고등학교에 진학한 음펨바는

데니스 오스본 박사의 물리학의 강연을 듣게 되었다. 강연이 끝난 후 음펨바는 “같

은 부피인 35도의 물과 100˚c의 물을 냉동실에 넣었더니, 뜨거운 100˚c의 물이 먼저

얼었습니다. 왜 그렇습니까?”라고 반 친구들로부터 조롱거리가 되었던 질문을 했다.

처음에는 오스본 박사도 반신반의하였으나 후에 대학으로 돌아와 음펨바의 발견을

검증하였다. 그리고 음펨바와 함께 1969년 연구 결과를 정리하여 발견자인 음펨바

의 이름을 따 음펨바 효과라고 한 후 출판했다.

2) 음펨바 효과의 가설 및 이론

가) 열전달

(1) 대류

처음에는 전체적으로 온도가 같던 물이라도 식으면서 용기에 담긴 물의 온도가

모두 균일하지 않게 된다. 외부에 접촉한 곳이 먼저 식고 그렇지 않은 곳은 여전히

따뜻한 상태로 있다. 그렇게 되면 대류 현상에 의해 상대적으로 따뜻한 물이 윗부

분으로 이동하고 상대적으로 차가운 물은 아래쪽으로 이동한다. 이러한 대류 현상

이 활발하게 일어나면 윗부분과 아랫부분의 온도 차이가 커지고, 빨리 식을 것이다.

같은 30˚C의 물이라도, 전체적으로 균일한 30˚C 물에 비하여, 위층은 30˚C보다 뜨겁

고 아래층은 30˚C보다 차가운 물이 열을 더 빨리 잃는다.

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뜨거운 물은 차가운 물보다 초기에 외부에 잃게 되는 열의 양이 많다. 따라서 대

류현상이 뜨거운 물에서 더 활발해진다. 그렇게 되면 뜨거운 물에서는 차가운 물보

다 위층의 물이 아래층 물보다 온도가 더 높다. 이렇게 되면 차가운 물보다 뜨거운

물이 외부로 열을 더 빨리 뺏겨 음펨바 효과가 일어난다는 것이다.

(2) 열전도

뜨거운 물이 용기 주변의 환경을 변화시켜 냉각 과정을 바꾼다는 의견도 있다. 예

를 들어, 물을 얼음판 위에 놓고 식히면 뜨거운 물 아래에 있는 얼음들은 상대적으

로 더 많이 녹게 된다. 물이 얼음보다 열을 더 잘 전달하므로 표면을 통한 열 교환

외에 용기 아래쪽으로의 열 교환이 뜨거운 물에서 더 크게 일어나게 된다. 그래서

뜨거운 물이 열을 빼앗기는 속도가 차가운 물의 그것보다 커지게 된다.

하지만, 녹은 얼음의 열전도율이 음펨바 효과를 일으킬 정도로 크게 변하는지 확

실치 않으며, 표면을 제외한 곳으로의 열 교환을 철저히 통제한 실험에서도 음펨바

효과는 여전히 관찰되기 때문에 이 역시 가설일 뿐이다.

나) 과냉각

물은 0˚C부터 얼기 시작한다고 잘 알려져 있다. 하지만 0˚C라고 해서 무조건 물이

얼지 않는다. 0˚C보다 낮은 온도에서도 어는데, 이런 현상을 과냉각이라고 한다. 물

은 액체 상태에서 고체 상태인 얼음으로 되려면 응결핵이 필요하다. 응결핵이 없으

면 물은 0˚C이하에서도 얼지 않는다. 이런 과냉각 현상은 종종 일어난다. 연구에 따

르면 뜨거운 물이 차가운 물보다 과냉각 현상이 덜 나타난다는 것이다.

예를 들어, 냉동실에 물을 30분에서 1시간 정도 얼리면 물은 물의 어는점인 0˚C보

다 온도가 더 낮아졌지만 완전한 얼음이 되어 있지는 못한다. 하지만 이 물에 충격

을 가하면 금방 얼음을 얻을 수 있다. 어떤 액체의 온도가 갑자기 변하면 그 액체

의 온도가 어는점 이하가 되어도 응고가 당장은 안 되고 과냉각 상태에 머무른다.

이때 충격을 가하거나 결정핵 역할을 하는 물질을 넣어줘야 응고가 되는 현상을 과

냉각 현상이라고 한다.

다) 불순물

뜨거운 물에는 차가운 물보다 기체가 덜 녹아 있다. 물을 끓이면 대부분의 용해

기체는 밖으로 빠져나간다. 따라서 용해 기체의 양이 물의 성질에 변화를 줄 수 있

다는 게 이 이론의 핵심이다.

예를 들어, 용해 기체는 물에게 불순물이므로, 용해 기체가 많으면 어느 점이 떨어

지는 효과를 줄 수 있다. 따라서 불순물이 많은 차가운 물은 뜨거운 물보다 더 낮

은 온도에서 얼게 된다. 그래서 음펨바 효과가 나타난다는 것이다. 실험적으로 용해

기체의 효과를 보이려는 연구들이 몇몇 있었다. 하지만 용해 기체의 영향을 없애기

위해, 뜨거운 물과 차가운 물 모두 미리 끓인 실험에서도 여전히 음펨바 효과가 나

타나, 용해 기체 이론 역시 설득력이 떨어진다.

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라) 결정

물은 온도가 0˚C 이하로 떨어진다고 해도 물 분자가 6각형의 구조를 만들지 못하

면, 절대로 얼음이 될 수 없다. 예를 들어 페트병 속에 물을 가득 채우고 온도를 내

리면 물 분자는 연약한 페트병을 찢고 터뜨려서라도 부피가 큰 6각형 구조를 만들

어내고야 만다.

만약, 매우 튼튼해서 조금의 균열도 허락하지 않는 병에 물을 가득 담고 냉장고

속에 넣으면, 아무리 얼려도 얼지 못할 것이다. 물의 부피가 최소가 되는 온도는 4˚

C 다. 부피가 작은 4˚C의 물 분자가 6각형의 얼음이 되기 위해서는 먼저, 전체 부피

를 크게 늘려서 6각형을 만들 충분한 공간을 확보해야만 한다. 그래서 전체 부피를

늘릴 시간이 추가적으로 필요한 셈이다.

뜨거운 물 분자는 간격이 헐렁헐렁하게 벌어져 있다. 뜨거운 물은 이미 넉넉한 공

간이 있기 때문에, 그저 6각형으로 모여 들기만 하면 얼음이 될 수 있다. 따라서 뜨

거운 물이 얼기 위해서는 온도만 내려주면 되지만, 차가운 물은 6각형을 만들 공간

을 확보해야만 하기 때문에 더 느리게 얼 수밖에 없다.

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나. 실험내용

1) 음펨바 재연 실험

가) 1차 실험 : 음펨바 효과가 일어나지 않음

온도 온도 맞추는 방법 용기 부피 냉장고 언 순서

5˚C 찬물을 냉동실에 넣어 식힘 플라스틱

컵120ml 과학실 냉장고

1

35˚C 끓인 물을 상온에서 식힘 2

100˚C 물을 끓임 3

찬 물을 냉동실에 넣어서 5˚C로 만들고,

물을 끓인 후 상온에서 식혀 35˚C로 만들

었다. 식는 속도에 따라 시간을 조절하여

때에 맞춰 물을 끓여 100˚C를 만들었다.

100˚C 물의 양을 재빨리 맞춘 후 5˚C, 35˚

C와 함께 과학실 냉장고의 냉동칸에 넣

었지만 음펨바 효과가 일어나지 않았다.

5˚C물을 냉동실에 넣고 식혔기 때문에 이

미 냉각이 진행 중이여서 더 빨리 언 것

이라 생각된다. 다음 실험에는 5˚C의 물 주변에 얼음을 두어 식힐 것이다.

나) 2차 실험(온도 맞추는 방법에 관한 실험) : 음펨바 효과가 일어나지 않

음


5˚C 찬물을 얼음으로 식힘 플라스틱


1


100˚C 물을 끓임 3

1차 실험과 동일한 조건에서 5˚C의 물만 주변에 얼

음을 두어 식혔다. 하지만, 음펨바 효과가 일어나지

않았다. 끓인 물과 안 끓인 물의 녹아있는 불순물의

기체의 차이가 있기 때문인 것 같다. 다음에는 물을

모두 끓인 후 얼음으로 온도를 낮추어 5˚C와 35˚C로

만들어 실험할 것이다.

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다) 3차 실험(물속의 불순물에 관한 실험) : 음펨바 효과가 일어나지 않음


5˚C 끓인 물을 얼음으로 식힘 플라스틱


1


100˚C 물을 끓임 3

물을 모두 끓인 후, 얼음에 넣고 온도를 식혔다. 하지만 결과는 같았다. 물의 양이

많고, 컵 사이의 간격이 좁아 서로 어는 것을 방해하는 것 같다. 다음에 실험을 할

때에는 물의 양을 50ml로 줄이고, 컵 사이에 간격을 둬서 실험할 예정이다.

라) 4차 실험(용기 사이의 간격에 관한 실험) : 음펨바 효과가 일어나지 않

음


5˚C 끓인 물을 얼음으로 식힘 플라스틱


1


100˚C 물을 끓임 3

컵 사이의 간격을 넓히고 물의 양을

50ml로 줄여서 실험하였지만 같은 결과

였다. 과학실 냉장고가 낡아서 냉동실의

온도가 몇 도인지조차 알 수 없었다. 그

래서 기숙사에 있는 냉장고로 장소를 옮

기기로 하였다. 인터넷을 검색해보니 표

면적을 넓히고, 온도의 차이가 많이 나는

것이 실험결과가 명확하다는 정보를 얻었

다. 그래서 다음에는 30˚C와 70˚C의 물을

표면적이 넓은 용기에 실험할 것이다.

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마) 5차 실험(용기에 관한 실험) : 음펨바 효과가 일어나지 않음


30˚C 끓인 물을 상온에서 식힘 표면적이

넓은 통70ml

기숙사 냉장고

(-23˚C)

1


장소를 옮겨, 30˚C와 70˚C의 물을 표면적이 넓은 용기에 넣고 실험하였지만 음펨

바 효과는 일어나지 않았다. 냉동실의 온도가 너무 낮은 것은 아닌가 하여 냉동실

의 온도에 변화를 주며 실험하기로 하였다.

온도 시간 7 :11 7 :36 7 :48 7 :56

70˚C 냉동고에 넣음 살얼음 少 살얼음 多少 살얼음 多

30˚C 냉동고에 넣음 살얼음 多少 살얼음 多 얼음

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바) 6차 실험(냉장고 온도에 관한 실험)

(1) -24℃ : 음펨바 효과가 일어나지 않음

(가) 1차 실험

온도 시간 11 :31 11 :53 12 :01 12 :09 12 :17

70˚C 넣음 살얼음 少 살얼음 少 살얼음 多 살얼음 多

30˚C 넣음 살얼음 多 살얼음 多 얼음 얼음

(나) 2차 실험

온도 시간 2 :03 2 :28 2 :36 2 :44 2 :52


30˚C 넣음 살얼음 多多 살얼음 多 얼음 얼음


(가) 1차 실험

온도 시간 11 :31 11 :56 12 :04 12 :12 12 :20


30˚C 넣음 살얼음 多 살얼음 多 얼음 얼음

(나) 2차 실험

온도 시간 2 :06 2 :31 2 :39 2 :47 2 :55


30˚C 넣음 살얼음 少 살얼음 多 얼음 얼음


(가)1차 실험

온도 시간 9 :18 9 :43 9 :51 9 :59 10 :07

70˚C 넣음 살얼음 少 살얼음 少 살얼음 多少 살얼음 多

30˚C 넣음 살얼음 多 살얼음 多 살얼음 多 얼음

(나)2차 실험

온도 시간 2 :53 3 :18 3 :26 3 :34 3 :42


30˚C 넣음 살얼음 多少 살얼음 多 얼음 얼음

(4) -19℃: 음펨바 효과가 일어나지 않음

온도 시간 2 :55 3 :20 3 :28 3 :36 3 :44

70˚C 넣음 살얼음 少 살얼음 多少 살얼음 多少 살얼음 多


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(5) -18℃ : 얼지 않고 남아있는 물의 양의 차이가 애매하여 음펨바 효과가 일어

나는지 일어나지 않는지 정확히 판단할 수 없음.

(가) 1차 실험

온도 시간 9 :21 9 :46 9 :54 10 :02 10 :10

70˚C 넣음 살얼음 少 물의 양 少 물의 양 少 물의 양 少

30˚C 넣음 살얼음 多少 물의 양 多少 물의 양 少 물의 양 少

(나) 2차 실험

온도 시간 3 :40 4 :05 4 :13 4 :21 4 :29


30˚C 넣음 살얼음 多少 살얼음 多多 얼음 얼음

(6) -17℃ : 음펨바 효과가 일어남. 실험 초반에는 남아있는 물의 양이 비슷하나

후에는 70℃가 물의 양이 더 없다.

(가) 1차 실험

온도 시간 10 :22 10 :47 10 :55 11 :03 11 :11

70˚C 넣음 물의 양 多少 물의 양 少 얼음 少 얼음

30˚C 넣음 물의 양 多多 물의 양 多 살얼음 多 얼음

(나) 2차 실험

온도 시간 6 :47 7 :12 7 :20 7 :28 7 :36

70˚C 넣음 살얼음 多少 살얼음 多少 살얼음 多少 살얼음 多

30˚C 넣음 살얼음 少 살얼음 多 얼음 얼음

(7) -16℃ : 음펨바 효과가 일어남. 70℃에서 남아있는 물의 양이 더 적고 더 빨리

얼음이 된다.

(가) 1차 실험

온도 시간 10 :25 10 :50 10 :58 11 :06 11 :14

70˚C 넣음 물의 양 多少 물의 양 少 얼음 少 얼음

30˚C 넣음 물의 양 多少 물의 양 多少 살얼음 多 얼음

(나) 2차 실험

온도 시간 6 :51 7 :16 7 :24 7 :32 7 :40


30˚C 넣음 살얼음 多少 살얼음 多多 얼음 얼음

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(8) 드라이아이스(약 –14℃) : 음펨바효과가 일어남. 온도측정기구(MBL)을 이용

하여 시각에 따른 온도변화를 측정함.

-20020406080

온도

7:52 8:02 8:13 8:22 8:32 8:42 8:52 9:02 9:12 9:22 9:32

시각

30℃ 70℃

음펨바재연실험

사) 7차 실험(표면적에 관한 실험) : 음펨바 효과가 일어나지 않음


30˚C 끓인 물을 상온에서 식힘 플라스틱

컵50ml

기숙사 냉장고

(-16˚C)

1


음펨바 효과의 조건에 표면적이 관여 하는가를 알아보기 위해 1차~4차 실험에서

썼던 플라스틱 컵 용기에 실험했다. 6차 실험과 같은 조건에서 용기만 바꾼 후 실

험해보았지만, 30˚C가 먼저 얼었다. 따라서 표면적이 넓을수록 음펨바 효과가 잘 일

어난다고 할 수 있다.

온도 시간 8 :13 8 :38 8 :46 8 :54



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2) 음펨바 가설 입증 실험

가) 대류 실험

물의 대류 현상을 억제 시킬 수 있을 만큼 좁은 호리병을 찾기가 어려웠다. 실험

실에 비슷한 것이 있었지만, 유리로 된 것

이라 물을 넣고 얼리면 깨질 수 있기 때문

에 할 수 없었다. 그래서 대류현상이 일어

나지 않도록 일정한 시간 간격으로 저어주

었다. 10분마다 저어주었더니 그 사이에 물

이 얼어있고, 5분마다 저어주었더니 냉동실

문을 너무 자주 열어서 얼음이 잘 얼지 않

았다. 그래서 8분마다 물을 저어주었다. 살

얼음이 얼기 전까지 저어주고, 음펨바 효과

가 일어나는지 관찰하였다.

이 가설에 의하면 물을 저어줌으로써 대류현상을 방해했기 때문에 음펨바 효과가

일어나지 않아야하지만 70˚C 물이 더 빨리 얼었다.

온도 시간 5 :57 6 :22 6 :30 6 :38


30˚C 냉동고에 넣음 살얼음 少 살얼음多少 살얼음多

나) 열전도 실험

이 가설이 옳다면 열전도가 일어나는 것을 방지하면 음펨바 효과가 일어나지 않는

다. 하지만 깨끗이 닦아서 바닥에 있는 얼음을 모두 제거해 열전도가 일어나는 것

을 방지했을 때 음펨바 효과가 일어났다.

온도 시간 4 :12 4 :37 4 :45 4 :53



- 15 -

다) 과냉각 실험

뜨거운 물이 차가운 물보다 과냉각 현상이 덜 나타난다는 한 연구 결과에 따르면,

뜨거운 물이 과냉각 상태에 머무르지 않고 얼기 시작할 때, 차가운 물은 과냉각 상

태에 있어 얼지 않는 경우가 생긴다. 이러한 경우에 뜨거운 물이 더 빨리 어는 것

을 관찰할 수 있다.

(1) 1차 실험

1차 실험에서는 그 시점을 찾기 위해 15분 간격으로 얼음이 언 상태를 측정했다.

과냉각 실험은 결정핵역할을 할 얼음조각을 넣는 타이밍이 매우 중요하다. 얼음조

각을 살얼음이 얼기 전에 넣어야 하는데, 시간을 잘 못 맞춰서 살얼음이 언 후에

넣었다.

온도 시간 7:00 7 :15 7 :30 음펨바 효과

70˚C 냉동고에 넣음 물 살얼음 多少일어남

30˚C 냉동고에 넣음 물 살얼음 少

(2) 2차 실험

시간을 잘 맞춰서 얼음조각을 넣었지만 아무런 반응이 일어나지 않았다. 혹시나

해서 여러 개 넣어봤지만 역시 아무런 반응이 없었다.

온도 시간 8 :07 8 :22 8 :34 과냉각현상

70˚C 냉동고에 넣음 물 물반응없음

30˚C 냉동고에 넣음 물 물

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라) 불순물 실험

우리의 주변에 존재하는 차가운 물은 일반적으로 뜨거운 물보다 불순물(용해기체)

을 많이 포함하고 있다. 그러므로 찬물은 불순물 때문에 어는점이 낮아져 따듯한

물보다 더 빨리 언다. 따라서 물을 끓여 불순물을 제거한 후 실험하면 음펨바 효과

가 일어나지 않을 것이다. 하지만 실험결과, 음펨바 효과는 여전히 일어났으므로 이

역시 가설일 뿐이다.

온도 시간 6 :15 6 :40 6 :48 6 :56



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마) 결정 실험

뜨거운 물이 얼기 위해서는 온도만 내려주면 되지만, 차가운 물은 6각형 구조를

만들 공간을 확보하는 것과 온도를 내려주는 것을 동시에 만족시켜 주어야 한다.

그렇다면 뜨거운 물은 얼기 전과 부피 차이가 별로 없지만, 찬물은 부피가 많이 증

가할 것이다.

(1) 1차 실험

음펨바 효과도 일어나지 않았고, 70˚C물의 부피가 더 많이 늘어났다. 기숙사 냉장

고를 쓰다 보니 너무 많은 사람들이 냉장고를 열어서 그런 것 같다. 다음에는 사람

들에게 양해를 구하고 문 여는 것을 통제한 후 실험할 것이다.

온도 시간 8 :01 8 :26 8 :34 8 :42 8:50 부피

70˚C 냉동고에 넣음 물 살얼음少 살얼음多小 살얼음多

30˚C 냉동고에 넣음 물 살얼음多小 살얼음多 얼음

(2) 2차 실험

온도 시간 4 :04 4 :29 4 :37 4 :45 4:53 부피

70˚C 냉동고에 넣음 살얼음多少 살얼음多 살얼음多 얼음

30˚C 냉동고에 넣음 살얼음少 살얼음多少 살얼음多小 살얼음多

음펨바 효과도 일어나고, 30˚C물의 부피가 70˚C물보다 더 많이 늘어났다. 하지만

중간에 얼음 상태를 확인하는 도중 실수로 냉장고 벽에 부딪혀서 실험 결과가 정확

한지 알 수 없었다. 그래서 한 번 더 실험하기로 하였다.

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(3) 3차 실험

음펨바 효과도 일어나고, 30˚C물의 부피가 70˚C 물보다 더 많이 늘어났다. 사진으

로도 보일정도로 차이가 확연하다.

온도 시간 6 :58 7 :23 7 :31 7 :39 부피



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3. 결론 및 제언

가. 결론

1) 실험에 대한 결론

우선, 음펨바 재연 실험을 통해 음펨바 효과가 실제로 일어나는 것과 그 조건을 확

인했다.

음펨바 효과는

가) 얼리려는 물의 양이 적고

나) 표면적이 넓고

다) 냉동실의 온도가 물을 얼릴 수 있는 범위 내에서 높을수록 잘 나타났다.

냉각 시 주변 환경 냉각 시 주변 온도 음펨바 효과

과학실 냉장고 모름(-24℃정도로 추측) 일어나지 않음

기숙사 냉장고

-24℃ 일어나지 않음



-18℃ 애매함-17℃ 일어남

-16℃ 일어남

주변에 드라이아이

스를 두어 냉각-14℃ 일어남

주변에 얼음을 두

어 냉각0℃

일어나지 않음

(물이 얼지도 않음)

표면적이 312.7㎠(14cm×10.3cm×0.5cm의 직육면체 모양)일 때의 냉각 시 주변 환경

에 대한 음펨바 효과의 발생 유무

라) 물의 온도를 30℃와 70℃로 했을 때 뚜렷한 실험결과를 보였다.

또, 음펨바 현상의 여러 가지 가설들에 대해 각각 실험을 진행하여 다음과 같은 결

론을 얻었다.

가) 음펨바 효과는 대류현상에 의해 나타나는 것이 아니다.

나) 음펨바 효과는 열전도에 의해 나타나는 것이 아니다.

다) 음펨바 효과는 찬물의 과냉각 현상에 의해 나타나는 것이 아니다.

라) 음펨바 효과는 찬물에 불순물이 더 많아서 나타나는 것이 아니다.

마) 음펨바 효과는 찬물이 육각형 구조를 만드는데 더 오랜 시간이 걸려서 나타나

는 것이다.

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2) 논문 비교

우리는 이 주제를 2013년 7월에 선정해 조사하기 시작하여 교내 예선대회에 참가

하기 위해 여러 시행착오를 거치며 실험하였다. 교내 대회를 마친 후 어느 날 음펨

바 효과에 관한 논문이 발표되었다는 뉴스를 접했다.

싱가폴의 난양이공대학 연구팀 측 논문은 ‘하나의 물 분자를 이루고 있는 공유결합

의 길이는 그 분자들을 연결하는 수소결합의 길이에 따라 줄어들었다 늘어났다 한

다. 찬물과 같이 수소결합의 길이가 짧은 분자들은 공유결합의 길이가 짧고, 따듯한

물과 같이 수소결합의 길이가 긴 분자들은 공유결합의 길이가 길다. 따라서 이 따

듯한 물의 온도를 감소시키면 분자들 사이의 거리가 줄어들며 공유결합의 길이 또

한 줄어든다. 이때, 온도가 감소함에 따라 공유결합의 길이는 줄어들려는 성질을 갖

지만 원자와 원자사이의 자연적인 척력이 이를 밀어낸다. 이 때문에 원래 줄어들려

던 길이만큼 줄어들지 못한 공유결합은 그 길이보다 길어지며 에너지를 축적한다.

이렇게 에너지를 축적한 물이 응고하면서 그 에너지를 방출한다. 여기서 중요한 것

은 공유결합이 에너지를 방출하는 과정은 본질적으로 냉각과정과 동일하다는 것이

다. 이를 통해 따듯한 물은 축적된 에너지양이 더 많아 냉각 시 더 많은 에너지를

방출하므로 냉각속도를 가속화 시켜 더 빨리 언다는 결론을 내릴 수 있다.’라고 설

명하고 있다.

우리의 추측은 수소결합으로 분자를 구성하고 있는 물은 육각 결정 구조를 형성해

야만 얼음이 될 수 있다는 것에 초점을 맞춘 것이다. 따듯한 물이 분자간의 간격이

넓으므로 찬물보다 육각구조를 만드는 데 수월하다는 주장이다. 반면에, 발표된 논

문은 수소결합과 공유결합의 상관관계에 따른 에너지 변화에 초점을 맞춘 것이다.

따듯한 물이 더 많은 에너지를 축적했다가 방출하므로 더 빨리 언다는 주장이다.

둘 다 수소결합의 길이를 다루고 있다는 점에서 우리가 실험을 통해 한 추측이 발

표된 논문과 근접하였다는 것을 알 수 있다.

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나. 제언

요즘 학교에서 배우고 있는 화학Ⅱ 교육과정에서 물의 밀도 그래프를 배웠다. 물의

밀도는 4℃에서 가장 높고 0℃로 갈수록 낮아진다. 0℃에서는 상태변화가 일어남에

따라 밀도가 수직하강하고 영하의 온도로 떨어질수록 밀도는 다시 조금씩 증가한

다. 실제로 우리가 온도측정기(MBL)로 실험해 본 결과를 보면, 이 현상은 음펨바

효과로 설명할 수 있다. 찬물과 따듯한 물을 동시에 냉각시키는 과정에서, 온도차이

가 점점 줄어들다가 4℃부근에서 따듯한 물의 온도가 급격히 떨어져서 찬물보다 더

낮은 온도로 내려가는 것을 볼 수 있다. 그러므로 4℃에서 밀도가 가장 높은 것은

4℃에서부터 육각구조를 형성하기 시작하기 때문이라고 볼 수 있다. 육각구조를 형

성할수록 육각형 안쪽의 빈 공간이 생기기 때문에 밀도는 작아지기 때문이다. 온도

변화로부터 추측해 보면, 4℃부터 육각구조를 만들기 시작하여 0℃에서 모든 분자

를 육각구조로 전환 시킨 후에야 얼음이 된다. 그 후, 온도가 감소할수록 분자사이

의 간격이 좁아져 밀도가 다시 높아진다고 설명할 수 있다. 화학Ⅱ 교과과정에서

물의 밀도변화에 대해서 배울 때, 물의 밀도그래프와 더불어 음펨바 효과를 예로

들면 학생들이 이해하고 기억하는데 도움이 될 것이다.

또, 음펨바 효과는 물을 얼릴 때 필요한 시간을 절약함으로써 얼음을 생산 할 때의

경제적 이익을 기대할 수 있다. 찬물을 얼리는 것 보다는 햇빛에 보관했던 물을 얼

리는 것이 시간적으로 이익이다. 하지만 너무 온도가 높은 물을 냉각시킬 경우, 냉

동고의 전력소모가 커질 수 있다. 그러므로 시간과 전력소모의 양을 잘 계산하여

어떤 온도에서 얼리는 것이 경제적으로 가장 큰 이익을 얻을 수 있는지 결정해야

할 것이다. 그리고 표면적이 넓고 냉동고의 온도가 –17℃이상일 때 음펨바 현상이

잘 나타나므로 계산을 통해 표면적과 냉동고의 온도도 미리 맞추어 놓아야 할 것이

다.

더 나아가, 현재 우리 세대는 곧 고갈될 석유에너지를 대체할 에너지개발에 대한

연구가 주목하고 있다. 여러 가지 연구 중 발표된 논문에서의 수소결합의 길이에

따른 에너지 변화도 추가 해볼 수 있다. 따듯한 물을 냉각 시키면 많은 에너지를

저장할 수 있기 때문에 그 양을 수치화 시켜서 더욱 깊이 연구해 보면 미래의 에너

지개발에 도움이 될 수 있다.

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4. 출처

Ÿ 마그너스가 말하는 음펨바 효과

http://blog.naver.com/star89427?Redirect=Log&logNo=90165191538

Ÿ 음펨바 효과의 발견

http://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%9D%8C%ED%8E%A8%EB%B0%94_%ED%9A%A8%E

A%B3%BC

http://www.soonpeng.co.kr/slrbest/12175493

Ÿ 음펨바 효과의 가설

http://blog.daum.net/jj1958/7536978

Ÿ 음펨바 효과 논문 기사

http://www.mt.co.kr/view/mtview.php?type=1&no=2013110315285482356&outlink=1

https://medium.com/the-physics-arxiv-blog/d8a2f611e853

https://www.facebook.com/notes/%EC%96%91%EB%B3%91%EC%B0%AC/-%EB%9C%

A8%EA%B1%B0%EC%9A%B4-%EB%AC%BC%EC%9D%B4-%EC%B0%AC%EB%AC%B

C%EB%B3%B4%EB%8B%A4-%EB%A8%BC%EC%A0%80-%EC%96%B4%EB%8A%94-

%EC%9D%B4%EC%9C%A0-%EC%9D%8C%ED%8E%A8%EB%B0%94-%ED%9A%A8%E

A%B3%BC-%EB%93%9C%EB%94%94%EC%96%B4-%ED%95%B4%EB%AA%85/5509852

01644492

http://boribab.tistory.com/7296

Ÿ 음펨바 효과 논문 (O:H-O Bond Anomalous Relaxation Resolving Mpemba Paradox)

http://arxiv.org/abs/1310.6514

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