Die Physik des Grundes, warum heißes Wasser manchmal schneller gefriert als kaltes Wasser

Die Geschichte besagt, dass 1963 der tansanische Gymnasiast Erasto Mpemba mit seiner Klasse Eiscreme herstellte, als er ungeduldig sein Gebräu aus Zucker und Milch in die noch heiße Eismaschine gab, anstatt es zuerst abkühlen zu lassen. Zu seiner Überraschung kühlte das Eis schneller ab als das seiner Klassenkameraden.

Mit Hilfe eines Physikprofessors führte Mpemba weitere Experimente durch, indem er zwei Gläser mit Wasser, eines frisch gekocht und eines warm, in einen Gefrierschrank stellte, um zu sehen, welches zuerst die Gefriergrenze erreichte. Oft gefror das Wasser mit der höheren Ausgangstemperatur als erstes. Ihre Beobachtungen lösten eine jahrzehntelange Diskussion über die Existenz und die Einzelheiten des kontraintuitiven Phänomens aus, das heute als Mpemba-Effekt bezeichnet wird.

Neue Forschungsergebnisse, die am 5. August in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurden, zeigen nicht nur, dass der Mpemba-Effekt tatsächlich existiert, sondern geben auch Aufschluss darüber, wie er auftritt, berichtet Emily Conover für Science News.

Anstatt mit gefrierendem Wasser zu experimentieren, dessen Untersuchung überraschend kompliziert ist, konzentrierten sich die Physiker Avinash Kumar und John Bechhofer von der Simon Fraser University auf mikroskopisch kleine Glaskugeln – und auf Laser. Sie maßen, wie sich die Glasperlen unter ganz bestimmten Bedingungen im Wasser bewegten, und stellten fest, dass unter bestimmten Umständen Perlen, die zu Beginn sehr heiß waren, schneller abkühlten als solche, bei denen das nicht der Fall war.

„Es handelt sich um eine dieser sehr einfachen Versuchsanordnungen, und sie ist bereits reichhaltig genug, um diesen Effekt zu zeigen.“ sagt die theoretische Physikerin Marija Vucelja von der University of Virginia gegenüber Science News. Das Experiment deutet auch darauf hin, dass der Effekt in anderen Materialien als Wasser und Glasperlen auftreten könnte. Vucelja sagt: „Ich könnte mir vorstellen, dass dieser Effekt auch anderswo in der Natur auftritt, nur haben wir ihm keine Aufmerksamkeit geschenkt.“

Wenn der Gefrierpunkt die Ziellinie ist, dann ist die Anfangstemperatur so etwas wie der Startpunkt. Es würde also Sinn machen, wenn eine niedrigere Anfangstemperatur mit geringerem Abstand zur Ziellinie immer als erste die Ziellinie erreicht. Beim Mpemba-Effekt erreicht manchmal das heißere Wasser die Ziellinie zuerst.

Aber es wird noch komplizierter. Zum einen ist Wasser normalerweise mit anderen Stoffen, wie Mineralien, vermischt. Und die Physiker sind sich nicht einig, was genau die Ziellinie ist: Ist es der Zeitpunkt, an dem das Wasser in einem Behälter die Gefriertemperatur erreicht, zu erstarren beginnt oder vollständig erstarrt? Diese Details machen es schwer, das Phänomen direkt zu untersuchen, schreibt Anna Demming für Physics World.

Das neue Experiment beseitigt die Details, die den Mpemba-Effekt so undurchsichtig machen. Bei jedem Test ließen sie eine mikroskopisch kleine Glasperle in einen kleinen Brunnen mit Wasser fallen. Dort übten sie mit einem Laser kontrollierte Kräfte auf das Kügelchen aus und maßen die Temperatur des Kügelchens, so Science News. Sie wiederholten den Test über 1.000 Mal, wobei sie die Kügelchen in verschiedene Vertiefungen fallen ließen und mit unterschiedlichen Temperaturen begannen.

Unter bestimmten Kräften des Lasers kühlten die heißesten Kügelchen schneller ab als die Kügelchen mit niedrigeren Temperaturen. Die Forschung legt nahe, dass der längere Weg von einer höheren Temperatur zum Gefrierpunkt Abkürzungen schaffen könnte, so dass die Temperatur der heißen Perle die Ziellinie vor der kühleren Perle erreichen kann.

Bechhoefer beschreibt das experimentelle System gegenüber Physics World als eine „abstrakte“ und „fast geometrische“ Art, den Mpemba-Effekt darzustellen. Aber mit Hilfe des Systems haben er und Kumar die optimalen „Anfangstemperaturen“ für den Mpemba-Kühleffekt ermittelt.

„Es deutet darauf hin, dass all die Besonderheiten von Wasser und Eis – all die Dinge, die den ursprünglichen Effekt so schwer zu studieren machten – in gewisser Weise nebensächlich sein könnten“, sagt Bechhoefer gegenüber Physics World.