[논문 리뷰] Reply to Burridge & Linden: Hot water may freeze sooner than cold

J. I. Katz|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 12.

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics참고 문헌 6인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 버리지 및 린든이 멤페바 효과를 냉각 현상으로 간주하는 것을 부정함으로써, 이 효과를 냉각이 아니라 freezing 현상으로 재정의한다. 이는 이론적으로 온수에서 발생하는 용질 농도 증가와 freezing point depression 현상에 기인한 것으로, 마그네슘/칼슘 하류탄산염을 포함한 '하드 워터'에서만 발생할 수 있으며, 이는 향후 실험에 대한 검증 가능한 이론적 프레임워크를 제공한다.

ABSTRACT

In a recent paper in Scientific Reports, Burridge \& Linden misinterpret the Mpemba effect as a statement about the rate of cooling of liquid water, when it is in fact a statement about the rate of freezing of water. Debunking an obviously absurd claim about cooling, they miss the significant effect, its only quantitative experimental study and a theoretical argument that explains the effect and predicts that it occurs only for "hard" water (water with significant dissolved Mg and Ca bicarbonates). This prediction remains to be tested.

연구 동기 및 목표

• 멘페바 효과를 냉각 현상으로 오해한 것을 바로잡고, freezing 현상으로 간주하는 데 목적을 두다.
• Wojciechowski 등(1988)이 수행한 freezing 기반 멤페바 효과에 대한 유일한 정량적 실험 연구를 부각시키다.
• 용질 농도와 freezing point depression에 기반한 이론적 설명을 재확인하고 방어하다.
• 멘페바 효과는 마그네슘/칼슘 하류탄산염을 포함한 '하드 워터'에서만 발생할 것이며, 이는 실험적으로 검증 가능하다는 예측을 내다보다.
• 이전 연구에서 수질 조성 정보가 기록되지 않은 채로 실험을 수행하여 재현성과 검증이 어려운 문제를 강조하다.

제안 방법

• 표준 조건 하에서 높은 初기 온도에서의 냉각 시간은 낮은 온도에서의 냉각 시간보다 반드시 더 길다는 것을 열역학적 분석을 통해 보여주다.
• 식 (1)의 열전달 적분 방정식을 사용하여 냉각 시간이 初기 온도에 따라 어떻게 달라지는지 모델링하다.
• 얼음 고체화 과정에서 용질이 얼음 전면에 집중되는 '존 리파이닝(zone refining)' 개념을 도입하다.
• 용질 축적에 의한 freezing 행동 변화를 설명하기 위해 freezing point depression 이론을 적용하다.
• 카츠(2009)의 이론적 프레임워크를 활용하여 용질 재분포와 잠열 역학에 기반해 멤페바 효과를 설명하다.
• 가열 시 하류탄산염이 탄산염으로 전환되어 침전되는 '하드 워터'에서만 멤페바 효과가 발생할 것으로 예측하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 처음에는 뜨거운 물이 직관적인 기대와는 반대로 처음에는 차가운 물보다 먼저 얼어붙는가?
• RQ2 냉각이 아니라 freezing 현상에서 멤페바 효과를 설명할 수 있는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 왜 멤페바 효과는 모든 종류의 물에서 관찰되지 않으며, 어떤 수질 특성이 핵심적인가?
• RQ4 물에 하류탄산염이 존재할 경우, 물을 가열하면 그 얼음 고형 행동은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 멘페바 효과는 하드 워터에서 신뢰할 수 있고 실험적으로 검증 가능할 수 있는가?

주요 결과

• 멘페바 효과는 냉각 현상이 아니라 freezing 현상이며, 버리지 및 린든은 이를 잘못 냉각 현상으로 기술하였다.
• 워지에호프스키 등(1988)이 수행한 유일한 정량적 실험 연구에서 따뜻한 물이 차가운 물보다 먼저 얼어붙는 결과를 보였다.
• 카츠(2009)의 이론적 설명은 용질 농도 증가와 freezing point depression에 의해 효과를 성공적으로 설명한다.
• 이 효과는 마그네슘/칼슘 하류탄산염을 포함한 '하드 워터'에서만 발생할 것으로 예측된다. 이는 가열 시 침전이 일어나기 때문이다.
• 끓인 물은 이산화탄소를 제거하고 하류탄산염을 탄산염으로 전환하여 '물 연화'를 일으키며, 이로 인해 멤페바 효과 발생 조건이 사라진다.
• 버리지 및 린든의 실험에서 멤페바 효과가 관찰되지 않은 것은 그들이 끓인 물을 사용했기 때문에, 더 이상 하드 워터가 아니었기 때문이다.