Mpemba-Effekt: Heißes Wasser gefriert schneller als kaltes!

Dieses Phänomen mit dem unaussprechlichen Namen Mpemba klingt im ersten Moment wie ein Widerspruch an sich, denn kaltes Wasser ist bereits näher am Gefrierpunkt als heißes und sollte doch demnach auch schneller gefrieren, oder nicht?

Wer ein Gefrierfach zuhause hat, kann es ausprobieren

Einfach mal kaltes (raumtemperiertes) und heißes Wasser (circa 40-50 Grad) ins Eisfach stellen. Für den direkten Vergleich am besten zwei gleich große Gefäße nehmen und dann aufpassen, was passiert. Im Regelfall gefriert das heiße Wasser zuerst! Selbst der griechische Gelehrte Aristoteles (384 v. Chr. – 322 v. Chr.) hatte dies bereits beobachtet, konnte aber keine Erklärung dafür finden.

Verschiedene Lösungsansätze stehen im Raum

Nach Aristoteles starteten erst der Schüler Erasto B. Mpemba (Namensgeber des Effekts!) und sein Lehrer Denis G. Osborne im Jahre 1969 einen neuen Erklärungsversuch, nachdem Mpemba bei der Herstellung von Speiseeis feststellte, dass heiße Milch schneller gefror als kalte…

Verdunstung

Sie fanden außerdem heraus, dass eine Ölschicht auf dem Wasser das Gefrieren verzögerte. Daraus folgerten sie, dass der größte Teil der Wärme über die Wasseroberfläche durch Verdunstung verloren ging. Das heißere Wasser verdunstet also schneller und verliert dadurch an Volumen. Wenn es dann die gleiche Temperatur wie das kalte Wasser erreicht, hat es ein vergleichsweise geringeres Volumen, das heißt, es verbleibt eine geringere Menge, die schneller gefriert.

Gelöste Gase

Ein weiterer Ansatz war, dass im Wasser gelöste Gase eine Rolle spielen könnten. Da das heiße Wasser aber erst kurz vor dem Experiment aufgekocht wurde und somit keine Luft enthalten konnte, war dies eher unwahrscheinlich. Allerdings wären Gase in der Lage die Wärmemenge oder die Wärmeleitfähigkeit zu beeinflussen, da sie, ebenso wie das Wasser, verschiedene thermodynamische Eigenschaften besitzen. Da warmes Wasser weniger Gas aufnimmt als kaltes, wäre dies als eine weitere Erklärung für den Mpemba-Effekt nicht ganz abwegig gewesen.

Konvektion

Auch die Konvektion war im Gespräch, die zu den Mechanismen des Wärmetransportes zählt. Diese Möglichkeit wurde ebenfalls von Nikola Bregovic, einem Physikochemiker der Universität Zagreb, unterstützt. Dieser gewann 2013 ein Preisgeld von 1.000 Pfund Sterling, das die „Royal Society of Chemistry“ ausgelobt hatte, um endlich das Geheimnis um den Mpemba-Effekt zu lüften. Unter Konvektion versteht man das kollektive Strömen der Moleküle einer Flüssigkeit, welches zum Beispiel durch einen Wärmegradienten ausgelöst werden kann – heißes Wasser in kühler Umgebung (Eisfach). Hierbei kühlen zuerst die äußeren Bereiche ab, während die Temperatur in der Mitte der Flüssigkeit am längsten erhalten bleibt. Damit einher geht eine lokale Veränderung der Dichte. Heißeres Wasser hat eine geringere Dichte, wodurch das Wasser in der Mitte Auftrieb erhält und somit eine Umwälzung der Moleküle – die Konvektion – hervorruft. Auch wenn beide Wasserproben die gleiche Temperatur erreichen, hält die in der ehemals heißeren Probe stärkere Konvektion weiterhin an.

Wasserstoffbindungen

2017 dann noch eine Idee: Wasserstoffbindungen! Anhand einer Simulation mit Wassermolekül-Clustern (Molekülhaufen) schlossen Forscher darauf, dass der Effekt auf die Eigenschaften der Wasserstoffverbindungen im Wasser zurückzuführen sei. Scheinbar gab es einen Zusammenhang zwischen der Wassertemperatur zu Beginn und der späteren Eiskristallbildung.

Aber nichts Genaues, weiß man nicht…

Bis heute ist der Mpemba-Effekt nicht vollständig geklärt!

Wer mehr erfahren oder selbst etwas zum Thema Wärmeströmung in Flüssigkeiten und Gasen ausprobieren möchte, der wird hier fündig: https://www.phywe.de/de/waermestroemung-in-fluessigkeiten-und-gasen.html

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