Fysikken bag hvorfor varmt vand nogle gange fryser hurtigere end koldt vand

Historien fortæller, at den tanzanianske gymnasieelev Erasto Mpemba i 1963 lavede is med sin klasse, da han utålmodigt puttede sin sukker- og mælkesammensætning i ismaskinen, mens den stadig var varm, i stedet for at lade den køle af først. Til hans overraskelse afkøledes konfekten hurtigere end hans klassekammeraters.

Med hjælp fra en fysikprofessor udførte Mpemba yderligere eksperimenter ved at sætte to glas vand, et lige kogt og et varmt, i en fryser og se, hvilket glas der først nåede den frysende målstregen. Ofte var det vand med en højere starttemperatur det første, der frøs til is. Deres observationer satte gang i en årtier lang diskussion om eksistensen af og detaljerne i det kontraintuitive fænomen, der nu kaldes Mpemba-effekten.

Nu viser ny forskning, der blev offentliggjort den 5. august i tidsskriftet Nature, ikke blot, at Mpemba-effekten eksisterer, men kaster også lys over, hvordan den opstår, rapporterer Emily Conover for Science News.

I stedet for at eksperimentere med frysende vand, som er overraskende kompliceret at studere, fokuserede fysikerne Avinash Kumar og John Bechhofer fra Simon Fraser University deres sigtekornet – og lasere – på mikroskopiske glasperler. De målte, hvordan glasperlerne bevægede sig under meget specifikke forhold i vand og så, at perler, der startede meget varmt, under visse omstændigheder afkøledes hurtigere end perler, der ikke gjorde det.

“Det er en af disse meget enkle opsætninger, og den er allerede rig nok til at vise denne effekt.” Teoretisk fysiker Marija Vucelja fra University of Virginia siger til Science News. Eksperimentet tyder også på, at effekten kan vise sig i andre materialer end vand og glasperler. Vucelja siger: “Jeg kunne forestille mig, at denne effekt optræder ganske generisk i naturen andre steder, bare vi ikke har været opmærksomme på det.”

Hvis frysepunktet er målstregen, så er udgangstemperaturen ligesom startpunktet. Så det ville give mening, hvis en lavere begyndelsestemperatur, med mindre afstand til målstregen, altid er den første til at nå den. Med Mpemba-effekten er det nogle gange sådan, at det varmere vand når målstregen først.

Men det bliver mere kompliceret. For det første er der normalt andre ting, f.eks. mineraler, blandet i vandet. Og fysikere har været uenige om, hvad der præcist er målstregen: Er det, når vandet i en beholder når frysepunktet, begynder at størkne, eller størkner det helt? Disse detaljer gør det svært at studere fænomenet direkte, skriver Anna Demming til Physics World.

Det nye eksperiment gør op med de detaljer, der gør Mpemba-effekten så uklar. I hvert forsøg lod de en mikroskopisk glasperle falde ned i en lille brønd med vand. Der brugte de en laser til at udøve kontrollerede kræfter på perlen, og de målte perlens temperatur, ifølge Science News. De gentog testen over 1.000 gange, idet de lod perlerne falde i forskellige brønde og startede ved forskellige temperaturer.

Under visse kræfter fra laseren afkøledes de varmeste perler hurtigere end de perler med lavere temperatur. Forskningen tyder på, at den længere vej fra en højere temperatur til frysepunktet kan skabe genveje, så den varme perles temperatur kan nå målstregen før den køligere perle.

Bechhoefer beskriver over for Physics World det eksperimentelle system som en “abstrakt” og “næsten geometrisk” måde at forestille sig Mpemba-effekten på. Men ved hjælp af systemet identificerede han og Kumar de optimale “begyndelsestemperaturer” for en Mpemba-køleeffekt.

“Det antydede på en måde, at alle vandets og isens særpræg – alle de ting, der gjorde den oprindelige effekt så svær at studere – på en måde kunne være perifere,” siger Bechhoefer til Physics World.