토론실
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[레벨:30]id: 김동렬김동렬
read 17644 vote 0 2011.01.04 (22:36:59)

  http://www.ilmaek.com/bbs/view.php?id=kisti&no=2

 

  뜨거운 물이 찬물보다 빨리 언다고 한다. 구조론에서 강조하는 '역설' 개념에 익순한 분이라면 금방 이해할 것이다. 그런데 아직 아무도 그 원리를 밝혀내지 못했다고 한다. 만약 사실이라면 도전해볼만 하다. (검색해보니 몇몇 사이트에서는 '수증기 증발' 때문이라고 단정하여 말하는데, 아래 인용한 글에는 밀폐된 용기 안에서도 마찬가지라고.)

 

  구조론에 익숙하신 분이라면 직관적으로 그럴 수 있다고 여길 것이다. 구조론은 늘 상식의 전복을 말하니까. 간단히 가속도를 생각할 수 있다. 앞장서서 걸어가는 사람보다 뒤처져서 뛰어가는 사람이 더 빨리 간다. 냉장고에 찬물과 더운물을 넣는다면 찬물은 빙점과 온도차가 적고 빙점과 더운물은 온도차가 크다. 온도차가 커야 가속도가 얻어진다.

 

  당연히 뜨거운 물이 찬물보다 식는 속도가 빠르다. 여기서 관성의 법칙이 적용되고 가속도의 법칙이 적용된다. 배고픈 사람과 배부른 사람 중에서 누가 더 밥을 빨리 먹을까? 당연히 배고픈 사람이 허겁지겁 빨리 먹는다. 찬물은 배부른 사람이고 더운물은 배고픈 사람이다.  

 

  구조론에서 항상 말하는 후발주자가 이기는 법칙과 같다. 선발주자는 관성의 법칙에 지배되어 길을 잘 바꾸지 못하지만 후발주자는 길을 혁명적으로 바꾼다. 후진국인 러시아와 중국에서 혁명이 일어나는 이유도 같다. 속도가 빠른 자동차는 커브를 잘 못돌지만 느리게 가는 자동차는 커브를 잘 도는 이치와 같다.

 

  구조론으로는 간단히 증명할 수 있다고 생각되는데 아래 인용한 사이트의 글이 사실대로라면 도전해볼만 하다. 여세를 몰아 노벨상에도 도전해보면 좋고.

 

  작금의 지구 한랭화도 이 원리로 설명할 수 있을듯 하다. 기상학자들이 폴라캡 어쩌구 하는데 표면의 증상일 뿐 본질과 멀고, 지구가 더워져서 온난화될수로 온도차가 커지고 그 경우 가속도가 붙기 때문에 한랭화 될때 급속하게 식어버린다.

 

  날개없는 선풍기의 작동원리도 이걸로 설명할 수 있을듯. 무질서하게 브라운운동을 하던 바람이(온도도 마찬가지) 일정한 패컨과 포지션과 밸런스와 메커니즘을 얻으면서 한쪽으로 쏠림효과를 유발함. 비행기 기름의 60프로가 날개끝에 생기는 와류현상 때문에 소모된다고. 이거 해결하면 효율 급속증가. 일정한 온도차가 있어야 방향성 제시로 쏠림효과가 가능함.

 

  어쨌든 상자에 쥐구멍을 하나 뚫어놓고 고양이를 풀어놓는데 세 마리의 쥐가 든 상자와 한 마리의 쥐가 든 상자 중에서 어느 쪽 상자의 쥐가 더 빨리 빠져나갈까? 정답, 세 마리.. 왜? 쥐구멍 찾는 속도는 세 마리 쥐가 더 빠르기 때문. 셋 중 한 마리가 찾으면 나머지 두 마리도 따라감.

 

  이런걸 증명하려면 합당한 실험장치와 논리구조를 만들어야 할듯.

 

  #####

 

  뜨거운 물이 빨리 얼까, 차가운 물이 빨리 얼까? 대부분의 사람들은 너무나 당연하게 차가운 물이 빨리 얼 것이라고 생각한다. 그러나 정답은 ‘뜨거운 물이 차가운 물보다 빨리 얼 수도 있다’이다. 뜨거운 물이 차가운 물보다 먼저 언다는 것은 사실 납득이 잘 되지 않는다. 50도의 물과 30도의 물을 얼릴 때, 50도의 물이 얼려면 온도가 30도까지 떨어져야 하는데, 그만큼 시간이 더 걸리는 것은 상식처럼 보인다. 이 상식을 깨는 위대한 발견은 고정관념을 벗어난 한 고등학생으로부터 비롯되었다.


1969년, 아프리카 탄자니아의 고등학생 음펨바(Erasto Mpemba)는 학교에서 끓는 우유와 설탕을 섞어 아이스크림을 만드는 실습을 하고 있었다. 원래 아이스크림을 만들 때는 혼합 용액을 충분히 식힌 다음에 냉동실에 넣어 얼려야 한다. 하지만 늘 그렇듯이, 실습실의 냉동고에는 자리가 충분하지 않았고, 음펨바는 냉동고의 자리를 차지하기 위해 채 식지 않은 혼합용액을 그대로 냉동실에 집어넣었다. 얼마 후 냉동실 문을 연 음펨바는 희한한 현상을 발견했다. 다른 학생의 아이스크림보다 자신의 아이스크림이 먼저 얼어 있는 것이었다. 이상하게 여긴 그는 선생님에게 이 현상을 질문했지만, 선생님은 음펨바가 착각한 게 분명하다고 대답했다.


의문이 생긴 음펨바는 같은 실험을 몇 차례에 걸쳐서 반복하였다. 결과는 항상 같았다. 뜨거운 물이 더 빨리 얼었다. 물론 선생님과 친구들은 믿어주지 않았다. “그건 음펨바의 물리학이야.” “음펨바의 세계에서나 그렇겠지.” 라는 놀림을 받았다. 이때 인근 대학의 물리학자인 오스본(Denis G. Osborne) 교수가 음펨바의 고등학교를 방문했다. 음펨바는 자신의 관찰에 대해 오스본 교수에게 질문했다. 오스본 교수는 자신도 그 이유를 모르지만, 실험실에 돌아가서 꼭 실험해보겠다고 약속했다. 음펨바의 주장대로 실험해 본 오스본 교수의 연구팀은 결국 뜨거운 물이 차가운 물보다 떠 빨리 언다는 음펨바의 주장이 사실이라고 인정하게 되었다. 실험 결과는 1969년 ‘Physics Education’저널에 게재되었다(vol 4, p.172-175).


뜨거운 물이 차가운 물보다 더 빨리 언다는 사실은 이미 아리스토텔레스가 기록으로 남겼다. 아리스토텔레스의 권위는 갈릴레오 시대까지 대단했고, 17세기 초에는 뜨거운 물이 차가운 물보다 더 빨리 언다는 사실은 상식이었다고 한다. 하지만 이런 현상은 직관과 배치되기 때문에 수백 년 동안 잊혔다가 음펨바에 의해 다시 살아난 것이다.


그런데 음펨바 효과는 왜 일어날까? 여러 가지 가설들은 있지만 아직 정확한 원리는 밝혀지지 않았다. 많은 사람들은 뜨거운 물 분자들이 활발하게 활동하면서 증발이 더 잘 일어나기 때문에, 뜨거운 물의 질량이 상대적으로 작아져서 더 빨리 언다고 생각한다. 하지만 용기를 밀폐해서 증발효과를 제거해도 음펨바 효과는 관찰된다. 또 뜨거운 물에는 녹아있는 기체의 양이 적어서 빨리 언다거나, 뜨거운 물이 용기 주변의 환경을 변화시켜서 냉각 과정을 바꾼다는 주장도 있다.


대류현상도 원인으로 생각해 볼 수 있다. 뜨거운 물은 차가운 물보다 초기에 외부로 잃는 열의 양이 많아서 대류현상이 뜨거운 물에서 더 활발해진다는 것이다. 이렇게 될 경우 뜨거운 물이 차가운 물보다 외부로 열을 더 빨리 잃게 된다. 하지만 대류현상은 용기의 모양에 영향을 많이 받기 때문에 이 가설은 보편화되기가 어렵다.


최근에는 과냉각 이론이 거론되고 있다. 물이 얼음으로 되려면 응결핵이 필요한데 응결핵이 없으면 물은 0도에서도 얼지 않는다. 이러한 현상을 과냉각이라 한다. 뜨거운 물이 약 영하 2도에서 얼은 반면에 차가운 물은 영하 8도에서 얼었다는 연구 결과가 있긴 하지만, 그 원인이 확실치 않아서 음펨바 효과를 뒷받침해주기에는 부족하다.


이 모든 가설들이 복합적으로 작용해서 음펨바 효과가 나타난다고 말하기도 한다. 온도, 증발, 대류, 용존 기체, 전도와 같은 현상이 동시에 작용하여 뜨거운 물이 식을 때 물이 증발하고, 이 증발로 인해 많은 열을 잃고 또 물의 양이 줄어서 빨리 얼게 된다는 것이다.


다양한 주장에도 불구하고 아직 음펨바 효과의 결정적인 원인을 알려주는 이론은 없다. 언제 누가 그 원인을 밝힐지는 모른다. 하지만 이 이론을 주장하는 아이의 말을 경청해 주는 어른과 또 어른들이 자신의 말을 믿어주지 않아도 반복해서 실험해 보는 아이가 있는 곳에서 그 답이 나올 것이라는 예감이 든다.


글 : 이정모 과학칼럼니스트 [KISIT의 과학향기


[레벨:17]눈내리는 마을

2011.01.05 (00:06:32)

고답스러워 보여도, 씹을수록 즐거운 맛.

지식인은 고집스럽게 과학을 이야기해야.

 

그러면서도, 노짱이나 DJ같은 사람과 교류하며 대중과 호흡해야.

프로필 이미지 [레벨:4]삐따기

2011.01.05 (00:22:17)

정말 신기하네요.

그냥 생각나는데로 적어보겠습니다.

 

가설1

어름양이 다르다.

 

어는 양(분자의양)이 달라서 그렇다.

50도씨 물과 30도씨 얼은 물의 양의 다른거지요. 더 적은 쪽이 빨리어는거고.

밀폐되면 두개 질량은 같지만, 얼은 얼음의 질량만 따지면 다를 것 같습니다.

얼은 상태에서 두 어름의 질량을 재보아야합니다.

 

가설2

부피차이때문이다.

 

50도씨 물이 30도씨 물보다 부피가 크기 때문에 냉각이 더 빨리 된다.

부피가 크면 표면적이 크고 그럼 더 빨리 냉각되어 빨리 언다.

이경우 온도는 크게 상관이 없다. 오로지 부피때문..

 

 

 

 

 

 

 

프로필 이미지 [레벨:20]양을 쫓는 모험

2011.01.05 (00:26:50)

언발에 오줌누기

프로필 이미지 [레벨:20]의명

2011.01.05 (02:24:02)

잉크를 타보면 이해되겠구먼.

각 물분자가 외기나 바깥온도에 노출되는 빈도가 많을 수록 빨리식지 않나?

숟가락으로 젓는것처럼.

움직이는 영하2도물과 움직이지 않는 영하8도 물과의 차이?

 형평성을 고려한다면 냉장고는 두 대로. 

[레벨:17]눈내리는 마을

2011.01.05 (02:32:45)

이게, 대기역학자들 사이에서는 논의되어왔던 바인데요...

 

코펜하겐을 위주로한 서구 히피들이 절대 이 사안을 받아들이지 않으니까...

 

엘고어같은 개구리 같은 자들이 설치는거구요...

 

문제는 우리나라 좌파들은 코펜하겐 히피들을 좋아한다는거죠.

 

그 히피들이 우리나라 좌파들은 인간이하로 취급한다는거 알지도 못하면서 말입니다.

 

잡스같은 넘들은 무례하지만 동등하고,

 

코펜하겐 히피들은 예의바르지만, 차별합니다.

 

알긴 하는건지, 일부러 모르는척하는건지...아니면 같은 좌파니까 착하려니 하는건지...

 

아마 후자겠지요.

 

여튼, 과학은 동등하지만, 히피는 사절.

 

지지부진. 동맥경화. 좌충우돌. 딱, 땅박이 먹잇감.

프로필 이미지 [레벨:20]아란도

2011.01.05 (03:47:10)

물 분자가 끊이면 분리되어서...연결 고리가 약해져서 그런 것은 아닐까?.... 찬 물은 강하게 밀착 되어있고, 뜨거운 물은 밀착도가 약해서 찬 기운이 잘 스며들 수 있기 때문에....  또는 산소가 찬물보다 적기 때문이 아닐까?

프로필 이미지 [레벨:30]id: 김동렬김동렬

2011.01.05 (09:47:45)

찬 기운이나 냉기라는 것이 실제로 있을까요? 전기라면 플러스 마이너스 길이 있는데, 열기와 냉기가 둘이 아니고 하나일텐데, 전기도 길이 없다면 이동에 애를 먹겠지요. 냉기가 침투하는 건지 열기가 빠져나가는 건지. 냉기가 침투하는 것이 아니라 열기가 빠져나가는 것이라면 더운 물이 더 잘 빠져나가겠고 한번 빠져나가기 시작하면 가속적으로 빠져나가겠고 그렇다면 역시 온도차가 중요하겠지요.

 

프로필 이미지 [레벨:8]아제

2011.01.05 (10:11:42)

이과에는 약하니 문과적으로 접근한다.

" 그것은 처음부터 없었거나 그렇게 되게 되어 있었던 것이다."

이것은 신전 현판에 쓸 경구이기에 쉽게 설명할 수는 없고..

 

"뜨거운 물이 찬물보다 빨리 언다..라고라?

문과적으로 수정해 본다. "빨리 어는 것처럼 보인다."

또 수정한다..어떤 경우엔 뜨거운 물이 찬물보다 빨리 어는 것처럼 보인다.

 

과학이란

자연의 원리와 인간의 인식 간의 부단한 줄다리기다.

자연은 변하지 않는다. 문제가 없다.

문제가 있다면 인간에게 문제가 있었던 것이다.

 

"뜨거운 물이 찬물보다 빨리 언다."

 

이게 도대체 무엇을 의미하는 명제인지 다시 한번 점검해야 한다.

뜨겁다,차다를 문제삼는 것인지(뜨거운 것은 뜨거운 것이 아니다?)

 빠르다 느리다를 문제삼는 것인지(빠르고 느린 것이 무엇인가?)

아니면 얼음과 물의 경계를 문제삼는 것인지..

 

온도와 속도와 물질의 형태..

이것이 자연의 실상과 연관있어 보이지만..

사실은 인간의 기준과 합의로 이루어진 문과적 단어다.

 

예를 들어..

얼음의 형태를 본 것 자체가 온도와 정확히 인과관계가 성립한다 할 수 없다.

그것은 어느 시점에서의 토끼와 거북이의 위치로 누가 더 빠르다라고 말하는 것과 같다.

 

태양이 돈다..하나의 관점이다.

아니다..지구가 태양 주위를 돈다..그렇다면 이게 최종 진리인가?

이 역시 아니다..지구인의 현재 기준일 뿐이다.

(돈다..라는 것의 진정한 의미를 아직 설명하지 못했다.)

 

지구인은..우리는 부단히 우리의 관점을 바꾸어 나갈 뿐이다.

문제가 제기되고..그 문제는 문제 자체에서 해결되는 것이 아니라..

우리의 관점이 변함으로 해결되는 것이다.(합의라고 해도 좋다.)

 

과학..의 제반 문제들..거기서 우리는..

"우리가 과학하고 있지만 사실은 전혀 과학적이 않음을 발견"하는 것이

최대의 성과다. 새로운 <눈>이 필요했던 것이다.

 

나는 세상..이렇게 본다.

"그것은 애초에 없었거나 그렇게 생겨먹은 것이다." 

 

  

 

 

 

프로필 이미지 [레벨:22]id: ░담░담

2011.01.05 (10:32:38)

빼앗기는 열의 양은 분명 뜨거운 넘이 많아야 얼겠지요. 위 경우는 속도가 이유겠소.

 

열을 잃는 속도가 문제인건데, 뜨거운 넘이 빨리 빼앗기는 상황이 분명 있소.

 

냉기가 충분히 공급되는 상태라면, 열을 잃는 속도가 빠른 넘이 빨리 얼어버리는 것.

[레벨:4]무국아빠

2011.01.05 (12:06:10)

      

  안녕하세요.   항상  깨우침을  주시는  김선생님과  회원님들께  감사드립니다.   간만에  글을 올립니다  이슈의 문제는  아닌 듯합니다. 

 

물이 어를 때   초기 상태가  뜨거운   물이  차가운 물보다  온도가  높다고  가정하고  논리를  전개하겠습니다.      물이  얼음이  되는과정은  2단계로  이루어집니다.  일단계는   핵형성이고 다음 단계는   형성된  핵의  성장  과정입니다.   핵형성은  생명체의  배아에  해당되며,  실제로  영도에서  형성되는  것이 아니라    영도이하의   과냉

 (supercooling)상태에서  물과 용기의  계면에서 형성됩니다겨울호수에서  얼음이  호수가에서 얼어   중앙으로  얼어가는 모습을  상상하시면  됩니다.

 

  핵형성과  성장은  과냉된  온도차와     때의  온도에  의해  결정됩니다.  과냉된  온도차가  클수록,    얼를 때의  온도가  높을수록   물은    업니다. 과냉된  온도차는  열역학적  접근이고  온도는  속도론적  접근입니다.  자연은   두  이율배반적인 것의  균형점에서   균형을 잡습니다. 너무 온도가  낮으면   과냉은  크지만  물 분자의 움직이  느리고,  온도가  높으면  물분자의 움직임은 빠르지만  과냉이 작어 어는 속도가 느립니다.   물이  어는 속도가 가장 큰 온도는  어느 정도  과냉된 상태에서   물분자의  움직이  느리지  않  온도입니다. 뜨거운물이 차가운 물보다  얼  때   균형온도 근처에 있는듯합니다 .

 

프로필 이미지 [레벨:8]아제

2011.01.05 (12:20:53)

으음..균형온도..와 닿는군요.

그런 용어가 실제로 있는지는 모르겠지만..

암튼..균형이란 말이 중요하오.

 

어는 것이 기준점이 아니고..

균형온도가 기준점이라는 것..

 

대개는 0도가 어는 점이지만

어는 점이 항상 0도는 아니라는 것..

어는 점 역시 살아 움직인다는 것..나는 그런 상상을 했소.

 

그래서 어떤 상황..무국아빠님..의견에 의하면 균형온도 근처의

온도에 있는 두 물의 어는 속도는 오히려 역전될 수 있다는 것..아니..

역전된 것처럼 보인다는 것..쩝..지식과 용어가 없으니..말하기 힘드네..

 

하여간 이런 상상을 해봤고..

또 두세가지..이야기할 게 있는데..그건 정리가 안되어..

좀 아는 사람에게 맡기기로 하고..

 

  

[레벨:12]부하지하

2011.01.05 (15:34:06)

 옛날에 갈릴레오가 실험한게 사람들을 깜짝 놀라게 한것과 같은 이유가 좀 있음. 가벼운 물체나 무거운 물체나 똑같이 떨어진다는거요. 가볍거나 무겁거나 지구무게에 비하면 너무 하잘거 없는 차이이기때문에.

 

 

프로필 이미지 [레벨:20]아란도

2011.01.05 (16:14:29)

물이 언다. 라는 것에 대해서 위의 글들을 종합해서 생각해 보면...

냉장고에서가 아니라 자연현상에 대해서 접근을 하는 것이 보다 더 확실한 해답이 될 것 같습니다.

그래서 다시 생각해보면...

물은 기온에 영향을 많이 받습니다. 남극이나 북극과 열도지역을 비교해 보자면...

일단은 대기의 기온이 낮아야 물이 영향을 받습니다.

물의 양보다 더 큰 찬 공기의 양이 있어야 물이 얼게 된다고 봅니다.

물은 얼면 산소를 빼앗긴다고 생각됩니다. 남극의 만년빙하가 푸른색이 나는 것은 산소가 얼음속에 없기 때문이라고 합니다. 그래서 차가운 물보다는 뜨거운 물이 산소가 없기에 뜨거운 물이 공기에 산소를 빼앗기는 양이 적어서 그 시간차로 물이 빨리 언다고 생각합니다.

강이나 호수도 얇은 곳이 빠리 어는 이유는 얇은 물이 산소의 활동이 활발하기에 대기의 찬 공기와 만났을 때 결합력이 더 좋아진다고 생각됩니다. 산소가 대기중으로 빨리 빠져나가고 그 자리를 찬 공기가 채우는 것이지 않을까 합니다. 물이 얼면 부피가 커지는 이유도 그래서 이지 않을까...?

그래서 저는 대기와 물의 온도차로 인하여 산소가 대기중으로 빠져나가는 시간차에 의해서 좀 더 따뜻한 물이 빨리 어는 것이 아닐까? 생각해봅니다.

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