Wenn Sie heißes Wasser in den Gefrierschrank legen, können Sie den Effekt des beschleunigten Gefrierens beobachten. Dieses Phänomen wurde bereits von Aristoteles, Francis Bacon und René Descartes erwähnt.

Wenn Sie zwei Behälter mit heißem und kaltem Wasser in den Gefrierschrank stellen, können Sie feststellen, dass das heiße Wasser schneller gefriert. Diese Tatsache wird zum Beispiel dadurch bestätigt, dass bei großer Kälte offene Rohre mit heißem Wasser schneller einfrieren als kalte Rohre.
 

Ein Experiment zu Hause

Um den Wahrheitsgehalt dieses Phänomens zu überprüfen, können Sie zu Hause ein einfaches Experiment durchführen.

1. Nehmen Sie einen Liter Wasser und zwei separate Eiswürfelbehälter.
2. Gießen Sie etwa die Hälfte des Wassers in einen Kessel und bringen Sie es zum Kochen.
3. Füllen Sie das kalte und das erhitzte Wasser in die Schalen und stellen Sie sie in den Gefrierschrank.
4. Warten Sie eine Stunde und Sie werden sehen, welches Wasser sich schneller in Eis verwandelt.
    

Das Mpemba-Paradoxon

1963 bemerkte ein afrikanischer Schuljunge, dass eine heiße Eismischung im Gefrierschrank schneller gefror als eine kalte. Von seinem Physiklehrer in der Schule erhielt er keine Antwort auf diese Frage, aber er konnte den Physikprofessor Dennis Osborne fragen. Ein Experiment mit Wasser bestätigte den Effekt. In diesem Fall wurden zwei 70 ml Wasserproben mit einer Temperatur von 25 und 90°C in identischen Bechern im Gefrierfach eines Haushaltskühlschranks auf Schaumstoffstücken platziert.

Osborne und Mpemba führten daraufhin eine Reihe von Experimenten durch, deren Ergebnisse 1969 in der Zeitschrift Physics Education veröffentlicht wurden.

Die wichtigsten Punkte des Artikels werden im Folgenden wiedergegeben.

Da die Abkühlung hauptsächlich von der oberen Oberfläche der Flüssigkeit ausgeht, hängt die Abkühlungsgeschwindigkeit von der Temperatur dieser Oberfläche und nicht von der durchschnittlichen Temperatur der Flüssigkeit ab, und Konvektionsprozesse halten diese Temperatur aufrecht. Folglich ist die Wärmeverlustrate bei einem System mit einer höheren Ausgangstemperatur auch höher als bei einem stärker gekühlten System. Die Aussage ist umstritten, da Wasser vor dem Gefrieren Zwischentemperaturen durchlaufen muss, aber angesichts des Einflusses des Temperaturgefälles ließen die Autoren diese Aussage wegfallen. Danach wurde das Phänomen von Forschern aktiv diskutiert und als "Mpemba-Effekt" bezeichnet.

Die Abbildung zeigt die Abhängigkeit der Gefrierrate von der anfänglichen Wassertemperatur.

Erläuterung des Mpemba-Effekts

Ein halbes Jahrhundert lang hat man nach einer Antwort auf die Frage gesucht, warum heißes Wasser schneller gefriert. Hunderte von wissenschaftlichen Abhandlungen wurden zu diesem Thema veröffentlicht, aber erst 54 Jahre später wurde eine endgültige Antwort gefunden.

Im Jahr 2013 versprach die Royal Society of Chemistry of Great Britain demjenigen, der den Mpemba-Effekt erklären konnte, einen Preis in Höhe von 1.000 Pfund zu verleihen. Die beste Antwort war ein Aufsatz von Nikola Bregovic von der Universität Zagreb in Kroatien. Er fasste die wichtigsten bereits untersuchten Theorien zusammen und beschrieb sie.

Im Jahr 2016 veröffentlichte eine Gruppe von Wissenschaftlern Forschungsmaterialien, die die Existenz dieses Phänomens bestritten. Die Erklärung des Effekts selbst basierte auf einem Forschungsfehler.

Es scheint, dass sich die wissenschaftliche Welt beruhigen sollte, aber nicht hier. 2017 erklärte eine gemeinsame Studie einer Gruppe von Wissenschaftlern aus China und den Vereinigten Staaten das Phänomen durch Wasserstoffbrücken in der Clusterstruktur von Wasser.

Die wichtigsten Theorien

Wasserverdunstung

Einige Wissenschaftler erklärten, dass erhitztes Wasser schneller verdampft und dementsprechend entweder in der Luft gefriert und eine Eiskruste bildet oder einfach aus dem System entfernt wird. Es ist erwähnenswert, dass bei allen Experimenten, bei denen die Masse des Wassers vor und nach dem Gefrieren gewogen wurde, der maximale Massenverlust nicht mehr als 3% betrug. Eine solch unbedeutende Veränderung der Masse kann offensichtlich keine signifikante Beschleunigung des Gefrierens verursachen. Eine weitere Schwierigkeit bei diesem Experiment war, dass es fast unmöglich war, diesen Punkt zu beweisen, da das Verschließen des Behälters mit gefrorenem Wasser nicht nur die Verdunstung, sondern auch die Bewegung der Wärmeströme verändern würde.

Gelöste Gase

Die Löslichkeit von Gasen in Wasser nimmt mit steigender Temperatur ab. Daher nahmen einige Forscher an, dass das schnelle Gefrieren von Wasser mit dieser Tatsache zusammenhängt. Die Forschungen von Thomas zeigten, dass der Unterschied der Gefriertemperaturen geringfügig von Null abweicht, und Auerbach bewies, dass die Konzentration von Gasen im Wasser die Unterkühlung nicht beeinflusst.

Die Umwandlung wird durch ein Wärmegefälle verstärkt

Lassen Sie uns verstehen, was Konvektion und Wärmegradient sind. Wenn ein Behälter mit Wasser in ein Gefrierfach gestellt wird, kommt die Flüssigkeit an der Oberfläche und in der Nähe der Wände des Behälters mit der kalten Umgebung in Berührung und kühlt schneller ab. Gleichzeitig wird die Temperatur im Inneren der Probe aufrechterhalten, was zu einem Temperaturunterschied oder Temperaturgefälle im Behälter führt. Dies führt zu einer Wärmeübertragung, und je stärker das Gefälle ist, desto besser ist die Konvektion. Je höher der Temperaturunterschied ist, desto aktiver ist die Wärmeübertragung und Kühlung.

Wasserstoffbrücken

2017 wurde die endgültige Antwort auf die Frage gegeben, warum heißes Wasser schneller gefriert als kaltes Wasser. Der Grund sind die Eigenschaften von Wasserstoffbrückenbindungen. Das Hauptargument der Forscher ist, dass die Anzahl der starken Wasserstoffbrückenbindungen mit steigender Temperatur zunimmt und dass die Existenz kleiner, stark gebundener Cluster wiederum zur Bildung von regelmäßigem hexagonalem Eis beiträgt, wenn warmes Wasser schnell abkühlt. Außerdem wurde der gegenteilige Effekt einer schnellen Erwärmung von unterkühltem Wasser nachgewiesen.

Wir haben bereits über die Bildung von Eis und die Position des Wassermoleküls in seiner Struktur geschrieben.
Übrigens, die Forschung läuft noch :)

Quellen:

1. Tao, Yunwen; Zou, Wenli; Jia, Junteng; Li, Wei; Cremer, Dieter (2016). Verschiedene Arten der Wasserstoffbindung in Wasser - Warum gefriert warmes Wasser schneller als kaltes Wasser? ACS Veröffentlichungen. Sammlung. https://doi.org/10.1021/acs.jctc.6b00735
2. N. Bregović, Der Mpemba-Effekt aus der Sicht eines experimentellen physikalischen Chemikers. http://www. rsc.org/images/nikola-bregovic-entry_tcm18-225169.pdf 2012.
3. Unterschiedliche Arten der Wasserstoffbindung in Wasser - Warum gefriert warmes Wasser schneller als kaltes Wasser? Yunwen Tao, Wenli Zou, Junteng Jia, Wei Li, und Dieter Cremer. Journal of Chemical Theory and Computation 2017 13 (1), 55-76. DOI: 10.1021/acs.jctc.6b00735.

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