{{위키데이터 속성 추적}}
[[파일:Mpemba-two-water-probes.svg|450px|섬네일|42.9°C의 물과 18.6°C의 물 그래프]]
'''음펨바 효과'''(Mpemba effect)는 같은 냉각 조건에서 고온의 [[물]]이 저온의 [[물]]보다 더 빨리 어는 [[현상]] 또는 그 [[효과]]를 말한다.<ref name="Burridge">{{저널 인용| doi = 10.1038/srep37665| pmid = 27883034| pmc = 5121640| title = Questioning the Mpemba effect: Hot water does not cool more quickly than cold| journal = Scientific Reports| volume = 6| pages = 37665| year = 2016| last1 = Burridge| first1 = Henry C.| last2 = Linden| first2 = Paul F.| bibcode = 2016NatSR...637665B}}</ref><ref name="Tao">{{저널 인용| doi = 10.1021/acs.jctc.6b00735| pmid = 27996255| title = Different Ways of Hydrogen Bonding in Water - Why Does Warm Water Freeze Faster than Cold Water?| journal = Journal of Chemical Theory and Computation| volume = 13| issue = 1| pages = 55–76| year = 2017| last1 = Tao| first1 = Yunwen| last2 = Zou| first2 = Wenli| last3 = Jia| first3 = Junteng| last4 = Li| first4 = Wei| last5 = Cremer| first5 = Dieter}}</ref> 이는 35℃ 물과 5℃ 물로 실험하였을 때 비교효과가 극대화된다.<ref name=":0" /> 1963년 탄자니아의 에라스토 음펨바(Erasto B. Mpemba)가 처음 발견했다고 해서 붙은 명칭이다.<ref name=":0">[https://terms.naver.com/entry.naver?docId=2119365&cid=43667&categoryId=43667 <nowiki>[네이버 지식백과] 음펨바 효과 (시사상식사전, pmg 지식엔진연구소)</nowiki>]</ref>

이런 현상이 발생하는 원인이 50년간 풀리지 않다가 2013년 11월 싱가포르 연구진에 의해 물의 수소결합과 공유결합의 에너지 상관관계에 의한 현상임이 밝혀졌다.<ref name=":2">[https://terms.naver.com/entry.naver?docId=3479712&cid=58439&categoryId=58439 <nowiki>[네이버 지식백과] Mpemba Effect - 음펨바 효과 (지형 공간정보체계 용어사전, 2016. 1. 3., 이강원, 손호웅)</nowiki>]</ref>

== 발견 ==
음펨바 효과는 [[탄자니아]]의 에라스토 음펨바(Erasto B. Mpemba)라는 사람의 이름을 딴 것이다. 발견자인 음펨바는 마감바 중학교에서 당시 3학년이던 1963년에 이 현상을 처음으로 발견하게 되었다. 음펨바(Erasto Mpemba)는 학교에서 끓는 우유와 설탕을 섞어 아이스크림을 만드는 실습을 하고 있었다.<ref>[http://www.mt.co.kr/view/mtview.php?type=1&no=2013110315285482356&outlink=1 뜨거운 물 빨리 어는 '음펨바 현상' 비밀 풀렸다] 《머니투데이 뉴스》2013년 11월 3일 17시 06분...음펨바 현상은 국제연합식량농업기구(FAO) 직원인 탄자니아인 에라스토 음펨바가 중학교 3학년이던 1963년 발견한 현상이다. 음펨바는 아이스크림 조리 수업 중 제대로 식히지 않은 우유·설탕 혼합물을 냉장고에 넣은 뒤 식히고 얼린 친구들의 혼합물보다 빨리 어는 것을 발견했다.</ref> 원래 아이스크림을 만들 때는 혼합 용액을 충분히 식힌 다음에 냉동실에 넣어 얼려야 한다.

실습실의 냉동고에는 자리가 충분하지 않았고, 음펨바는 냉동고의 자리를 차지하기 위해 채 식지 않은 혼합용액을 그대로 냉동실에 집어넣었다. 얼마 후 냉동실 문을 열어보았는데, 충분히 식힌후에 넣은 다른 학생의 아이스크림보다 자신의 아이스크림이 먼저 얼어 있는 것을 발견하였다.<ref name=":1">[https://terms.naver.com/entry.naver?docId=3409448&cid=60335&categoryId=60335 <nowiki>[네이버 지식백과] 뜨거운 물이 찬물보다 빨리 언다? (KISTI의 과학향기 칼럼)</nowiki>]</ref> 옴펨바는 같은 실험을 여러차례 해보았으나 동일한 결과를 얻었다. 이런 사실을 인근 대학의 물리학자인 오스본(Denis G. Osborne) 교수에게 알렸다. 오스본 교수는 실험을 통해서 뜨거운 물이 차가운 물보다 더 빨리 언다는 사실을 확인하게 되었으나 그 원인은 알 수 없었다. 아무튼 오스본 교수의 연구팀은 실험 결과를 1969년 ‘Physics Education’저널에 게재하였다(vol 4, p.172-175).<ref name=":1" /><ref name="Mpemba">{{저널 인용| last = Mpemba| first = Erasto B.| last2 = Osborne| first2 = Denis G.| title = Cool?| journal = Physics Education| year = 1969| volume = 4| issue = 3| pages = 172–175| doi = 10.1088/0031-9120/4/3/312| bibcode=1969PhyEd...4..172M}} republished as {{저널 인용| title = The Mpemba effect| journal = Physics Education| year = 1979| volume = 14| issue = 7| pages =410–412| url = http://www.iop.org/EJ/article/0031-9120/14/7/312/pev14i7p410.pdf| doi = 10.1088/0031-9120/14/7/312| last1= Mpemba, |first1=Erasto B.| last2 = Osborne |first2 = Denis G.| bibcode = 1979PhyEd..14..410M }}</ref> 이후에도 오랫동안 그 원리가 밝혀지지 않자 2012년 영국왕립화학회가 음펨바 현상의 원인 규명에 1000파운드의 상금을 걸기도 했다.<ref name=":0" />

== 복잡계 문제 ==
냉각 과정에 있는 물의 상태를 [[온도]]라는 단 하나의 인자로 나타내도 괜찮은 것인가 하는 문제도 있다. 보다 정확한 기술을 위해서는 물에 대한 온도 분포를 생각할 필요가 있다. [[몬웨아 젱]](Monwhea Jeng)은 이 문제에 관해서 <blockquote>해석이 몹시 복잡해진다. 왜냐하면 우리는 온도라는 하나의 인자가 아니라 온도장을 생각하여, 한층 더 해석에 필요한 [[전산 유체 역학]]과 매우 복잡하게 얽혀 있기 때문이다<ref name="Jeng">{{저널 인용| title=Hot water can freeze faster than cold?!?| journal=American Journal of Physics| year=2006| first=Monwhea| last=Jeng| volume=74| issue=6| pages=514–522| arxiv=physics/0512262| doi=10.1119/1.2186331|bibcode = 2006AmJPh..74..514J }}</ref></blockquote>

이 효과는 [[열전도]]의 문제이며, [[연속체 역학]]에 근거한 [[이동현상]]의 관점에서 연구를 진행하는 것이 적합하다. 열 수송을 [[편미분방정식]]으로 해석한다면, 물의 평균 온도 등 몇가지 적은 수의 인자만 고려해서는 계의 움직임을 기술하기에 충분하지 않다. 계의 기하학적인 세부사항이나 유체의 특성, 온도장이나 흐름장 등 다양한 조건이 계의 움직임에 지극히 복잡한 영향을 줄 수 있기 때문이다. 단순화된 [[열역학]]에만 기초하여 분석하면 음펨바 효과는 [[직관]]에 반대되는 것처럼 보인다. 그렇지만 이것은 물리학 문제에 접근할 때 적절한 변수들을 모두 고려해주어야 한다는 것을 말해주고 있다.

과학 평론가 [[필립 볼]]은 [[2006년]] 잡지 《물리학 세계》(''Physics World'')에 기고한 기사에서 "문제는 이 현상을 효율적으로 재현하는 것이 매우 어렵다는 데 있다. 이는 이 현상이 나타나기도 하고, 나타나지 않기도 하기 때문이다. 또한 만약 음펨바 효과가 올바르다고 해도, 현상을 해석하는 것이 일반적인 것에 그칠지, 아니면 훌륭한 발견이 될지는 분명하지 않다."라고 했다.

== 역사 ==
고대의 [[아리스토텔레스]], 근세의 [[프랜시스 베이컨]], [[르네 데카르트]] 등의 과학자들이 이와 비슷한 현상에 대해 알고 있었을 가능성이 있다.<ref name=":1" /> 아리스토텔레스는 그가 안티페리스타시스(antiperistasis)라고 부르는 "어떤 성질의 강도는 상반되는 성질에 둘러싸일 때 더욱 높아질 수 있다."라는 잘못된 특성 개념으로 이해하였다.

== 원인 분석 ==

원인은 2013년 11월 싱가폴 남양이공대학 쑨장칭, 시장 교수 연구팀에 의해 물의 수소결합과 공유결합의 에너지 상관관계에 의한 현상임이 밝혀졌다.<ref name=":2" /><ref>[http://www.mt.co.kr/view/mtview.php?type=1&no=2013110315285482356&outlink=1 뜨거운 물 빨리 어는 '음펨바 현상' 비밀 풀렸다] 《머니투데이 뉴스》2013년 11월 3일 17시 06분.....각각의 물 분자(H2O)들은 포함된 산소와 수소 원자 사이에서 수소결합이 발생한다. 남양이공대 연구팀은 이 수소결합이 문 분자의 에너지 축적과 방출에도 관여한다는 사실을 입증했다. 연구팀은 물 분자 사이 수소결합으로 인해 하나의 물 분자를 이루고 있는 각각의 수소 원자, 산소 원자의 공유결합은 분자들을 가까이 붙일 때 길어지며 에너지를 축적한다는 사실을 밝혀냈다.

이후 물을 끓이면 물 분자 사이 간격이 벌려지면서 수소결합 역시 길어진다. 이렇게 끓인 물을 냉각할 때는 공유결합 길이가 다시 줄어들면서 축적했던 에너지를 방출하게 된다. 뜨거운 물은 축적된 에너지 양이 많아 냉각시 더 빠른 속도로 에너지를 방출하게 되는 것이다.

연구팀은 각각의 물 초기 온도를 다르게 한 뒤 냉각시 에너지 방출량을 측정하는 방식으로 음펨바 효과를 입증했다. 쑨장칭 교수는 "물이 에너지를 방출하는 과정과 그 (에너지방출)비율은 본질적으로 각각의 물이 지닌 초기 에너지 상태(온도에 따른 분자 간격)에 따라 달라진다"고 설명했다.</ref> 물 분자 사이 수소결합으로 인해 하나의 물 분자를 이루고 있는 각각의 수소 원자, 산소 원자의 공유결합은 분자들을 가까이 붙일 때 길어지며 에너지를 축적한다. 이후 물을 끓이면 물 분자 사이 간격이 벌려지면서 수소결합 역시 길어진다. 이렇게 끓인 물을 냉각할 때는 공유결합 길이가 다시 줄어들면서 축적했던 에너지를 방출하게 된다. 뜨거운 물은 축적된 에너지 양이 많아 냉각시 더 빠른 속도로 에너지를 방출하게 되는 것이다.

이러한 원인 분석이 정설로 여겨지고 있으나, 음펨바 효과가 물이 아닌 콜로이드에서도 발생하고 있어<ref>{{저널 인용|제목=Exponentially faster cooling in a colloidal system|저널=Nature|성=Kumar|이름=Avinash|성2=Bechhoefer|이름2=John|url=https://www.nature.com/articles/s41586-020-2560-x|날짜=2020-08|권=584|호=7819|쪽=64–68|언어=en|doi=10.1038/s41586-020-2560-x|issn=1476-4687}}</ref> 물 외의 액체에서 발생하는 음펨바 효과에 대해서는 보다 깊은 연구가 필요하다.

== 비슷한 효과 ==
* [[잠열]]
* [[라이덴프로스트 효과]]

== 같이 보기 ==
* [[열용량]]
* [[뉴턴의 냉각 법칙]]
== 각주 ==
<references />

== 외부 링크 ==
* [http://www.hani.co.kr/arti/science/kistiscience/293947.html 뜨거운 물이 찬물보다 빨리 언다?] {{웨이백|url=http://www.hani.co.kr/arti/science/kistiscience/293947.html |date=20130207001431 }}《한겨레》2008-06-18 오후 05:55:23
* [http://www.mt.co.kr/view/mtview.php?type=1&no=2013110315285482356&outlink=1 뜨거운 물 빨리 어는 '음펨바 현상' 비밀 풀렸다] 《머니투데이 뉴스》2013년 11월 3일 17시 06분

{{물질의 상태}}

[[분류:물리학의 역설]]
[[분류:열역학]]
[[분류:상전이]]
[[분류:물리학의 미해결 문제]]
[[분류:물리 현상]]
[[분류:1969년 탄자니아]]