Als u heet water in de vriezer doet, kunt u het effect van versneld bevriezen waarnemen. Dit fenomeen werd al eerder genoemd door Aristoteles, Francis Bacon en René Descartes.

Door twee bakken met warm en koud water in de vriezer te zetten, kunt u zien dat het warme water sneller bevriest. Dit feit wordt bijvoorbeeld bevestigd door het feit dat bij strenge kou open leidingen met warm water sneller bevriezen dan koude leidingen.
 

Een experiment thuis

Om het waarheidsgehalte van dit fenomeen te testen, kunt u thuis een eenvoudig experiment uitvoeren.

1. Neem een liter water en twee afzonderlijke ijsblokjesbakjes.
2. Giet ongeveer de helft van het water in een waterkoker en breng het aan de kook.
3. Vul het koude en het verwarmde water in de bakjes en zet ze in de vriezer.
4. Wacht een uur en u zult zien welk water sneller in ijs verandert.
    

De Mpemba-paradox

In 1963 merkte een Afrikaanse schooljongen dat een warm ijsmengsel in de vriezer sneller bevroor dan een koud mengsel. Hij kreeg geen antwoord op deze vraag van zijn natuurkundeleraar op school, maar kon het wel vragen aan natuurkundeprofessor Dennis Osborne. Een experiment met water bevestigde het effect. In dit geval werden twee monsters water van 70 ml met een temperatuur van 25 en 90 °C in identieke bekers in de vriezer van een huishoudkoelkast op stukjes schuim geplaatst.

Osborne en Mpemba voerden vervolgens een reeks experimenten uit, waarvan de resultaten in 1969 werden gepubliceerd in het tijdschrift Physics Education.

De belangrijkste punten van het artikel worden hieronder weergegeven.

Aangezien de afkoeling voornamelijk begint vanaf het bovenste oppervlak van de vloeistof, hangt de afkoelsnelheid af van de temperatuur van dit oppervlak, niet van de gemiddelde temperatuur van de vloeistof, en houden convectieprocessen deze temperatuur in stand. Als gevolg hiervan zal de snelheid van warmteverlies voor een systeem met een hogere begintemperatuur ook hoger zijn dan voor een meer gekoeld systeem. Deze uitspraak is controversieel omdat water door intermediaire temperaturen moet gaan voordat het bevriest, maar gezien de invloed van de temperatuurgradiënt, stonden de auteurs toe dat deze uitspraak weggelaten werd. Daarna werd het fenomeen actief besproken door onderzoekers en werd het het "Mpemba effect" genoemd.

De figuur toont de afhankelijkheid van de vriessnelheid van de begintemperatuur van het water.

Verklaring van het Mpemba effect

Mensen zijn al een halve eeuw op zoek naar een antwoord op de vraag waarom warm water sneller bevriest. Er werden honderden wetenschappelijke artikelen over dit onderwerp gepubliceerd, maar pas 54 jaar later kwam er een definitief antwoord.

In 2013 beloofde de Royal Society of Chemistry of Great Britain een prijs van £1,000 uit te loven voor iedereen die het Mpemba effect kon verklaren. Het beste antwoord was een essay van Nikola Bregovic van de Universiteit van Zagreb in Kroatië. Hij vatte de belangrijkste eerder bestudeerde theorieën samen en beschreef ze.

In 2016 publiceerde een groep wetenschappers onderzoeksmateriaal waarin het bestaan van dit fenomeen werd ontkend. De verklaring van het effect zelf was gebaseerd op onderzoeksfouten.

Het lijkt erop dat de wetenschappelijke wereld tot bedaren moet komen, maar niet hier, en in 2017 verklaarde een gezamenlijke studie van een groep wetenschappers uit China en de Verenigde Staten het fenomeen door waterstofbruggen in de clusterstructuur van water.

De belangrijkste theorieën

Verdamping van water

Sommige wetenschappers verklaarden dat verwarmd water sneller verdampt en dus ofwel bevriest in de lucht en een ijskorst vormt of gewoon uit het systeem wordt verwijderd. Het is vermeldenswaard dat in alle experimenten waarbij de massa van het water voor en na het bevriezen werd gewogen, het maximale massaverlies niet meer dan 3% was. Zo'n onbeduidende verandering in massa kan natuurlijk geen significante versnelling van het bevriezen veroorzaken. Een ander probleem met dit experiment was dat het bijna onmogelijk was om dit punt te bewijzen, omdat het afsluiten van de bak met bevroren water niet alleen de verdamping zou veranderen, maar ook de beweging van de warmtestromen.

Opgeloste gassen

De oplosbaarheid van gassen in water neemt af met toenemende temperatuur. Op basis hiervan namen sommige onderzoekers aan dat het snelle bevriezen van water hiermee te maken heeft. Het onderzoek van Thomas toonde aan dat het verschil in vriestemperaturen iets van nul afwijkt, en Auerbach bewees dat de concentratie van gassen in water geen invloed heeft op de onderkoeling.

Conversie wordt versterkt door een warmtegradiënt

Laten we eens begrijpen wat convectie en warmtegradiënt zijn. Wanneer een bak met water in een vriezer wordt geplaatst, komt de vloeistof aan het oppervlak en bij de wanden van de bak in contact met de koude omgeving en koelt sneller af. Tegelijkertijd wordt de temperatuur binnenin de bak verhoogd door convectie. Tegelijkertijd wordt de temperatuur binnenin het monster gehandhaafd, wat resulteert in een temperatuurverschil of temperatuurgradiënt in de container. Dit veroorzaakt warmteoverdracht, en hoe sterker de gradiënt, hoe beter de convectie. Dienovereenkomstig, hoe hoger het temperatuurverschil, hoe actiever de warmteoverdracht en koeling zal zijn.

Waterstofbruggen

In 2017 werd het definitieve antwoord gegeven op de vraag waarom warm water sneller bevriest dan koud water. De reden hiervoor zijn de eigenschappen van waterstofbruggen. Het belangrijkste argument van de onderzoekers is dat het aantal sterke waterstofbruggen toeneemt met toenemende temperatuur, en dat het bestaan van kleine clusters met sterke bindingen op zijn beurt bijdraagt aan de vorming van regelmatig hexagonaal ijs wanneer warm water snel afkoelt. Bovendien is het tegenovergestelde effect van snelle verwarming van onderkoeld water bewezen.

We hebben al geschreven over de vorming van ijs en de plaats van het watermolecuul in de structuur.
Het onderzoek is trouwens nog gaande :)

Bronnen:

1. Tao, Yunwen; Zou, Wenli; Jia, Junteng; Li, Wei; Cremer, Dieter (2016). Verschillende manieren van waterstofbruggen in water - Waarom bevriest warm water sneller dan koud water? ACS Publicaties. Collectie. https://doi.org/10.1021/acs.jctc.6b00735
2. N. Bregović, Mpemba-effect vanuit het oogpunt van een experimenteel fysisch chemicus. http://www. rsc.org/images/nikola-bregovic-entry_tcm18-225169.pdf 2012.
3. Verschillende manieren van waterstofbruggen in water - Waarom bevriest warm water sneller dan koud water? Yunwen Tao, Wenli Zou, Junteng Jia, Wei Li en Dieter Cremer. Journal of Chemical Theory and Computation 2017 13 (1), 55-76. DOI: 10.1021/acs.jctc.6b00735.

‍