The Physics of Why Hot Water Sometimes Freezes Faster Than Cold Water

Het verhaal gaat dat in 1963, Tanzaniaanse middelbare scholier Erasto Mpemba ijs aan het maken was met zijn klas toen hij ongeduldig zijn suiker en melk brouwsel in de ijsmachine stopte toen het nog warm was, in plaats van het eerst te laten afkoelen. Tot zijn verbazing was het ijs sneller afgekoeld dan dat van zijn klasgenoten.

Met de hulp van een natuurkundeprofessor voerde Mpemba aanvullende experimenten uit door twee glazen water, een net gekookt en een warm, in een vriezer te plaatsen en te kijken welk glas het eerst de vriesgrens bereikte. Vaak bevroor het water met een hogere begintemperatuur het eerst. Hun waarnemingen veroorzaakten een decennialange discussie over het bestaan en de details van het contra-intuïtieve fenomeen, dat nu het Mpemba effect wordt genoemd.

Nu, nieuw onderzoek gepubliceerd op 5 augustus in het tijdschrift Nature toont niet alleen aan dat het Mpemba effect bestaat, maar werpt ook licht op hoe het optreedt, Emily Conover rapporteert voor Science News.

In plaats van te experimenteren met bevriezend water, dat verrassend ingewikkeld is om te bestuderen, richtten de natuurkundigen Avinash Kumar en John Bechhofer van de Simon Fraser University hun vizier – en hun lasers – op microscopisch kleine glazen bolletjes. Ze maten hoe de glazen bolletjes onder zeer specifieke omstandigheden in water bewogen en zagen dat in sommige omstandigheden bolletjes die heel heet begonnen, sneller afkoelden dan bolletjes die dat niet deden.

“Het is een van die zeer eenvoudige opstellingen, en het is al rijk genoeg om dit effect te laten zien.” vertelt theoretisch fysicus Marija Vucelja van de Universiteit van Virginia aan Science News. Het experiment suggereert ook dat het effect zich zou kunnen manifesteren in andere materialen dan water en glasparels. Vucelja zegt: “Ik kan me voorstellen dat dit effect ook elders in de natuur voorkomt, alleen hebben we er nog geen aandacht aan besteed.”

Als het vriespunt de eindstreep is, dan is de begintemperatuur als het ware het startpunt. Het zou dus logisch zijn als een lagere begintemperatuur, met minder afstand tot de eindstreep, deze altijd als eerste bereikt. Met het Mpemba effect bereikt soms het warmere water als eerste de eindstreep.

Maar het wordt ingewikkelder. Ten eerste zitten er in water meestal andere dingen, zoals mineralen, gemengd. En natuurkundigen zijn het er niet over eens wat precies de eindstreep is: is het wanneer het water in een vat de vriestemperatuur bereikt, begint te stollen, of volledig stolt? Deze details maken het fenomeen moeilijk direct te bestuderen, schrijft Anna Demming voor Physics World.

Het nieuwe experiment rekent af met de details die het Mpemba effect zo troebel maken. Bij elke test lieten ze een microscopisch klein glazen kraaltje in een kleine waterput vallen. Daar gebruikten zij een laser om gecontroleerde krachten uit te oefenen op de kraal, en zij maten de temperatuur van de kraal, volgens Science News. Zij herhaalden de test meer dan 1000 keer, waarbij zij de parels in verschillende putjes lieten vallen en bij verschillende temperaturen begonnen.

Onder bepaalde krachten van de laser koelden de heetste parels sneller af dan de parels met een lagere temperatuur. Het onderzoek suggereert dat de langere weg van een hogere temperatuur naar het vriespunt kortere wegen zou kunnen creëren, zodat de temperatuur van de hete kraal de eindstreep eerder kan bereiken dan die van de koelere kraal.

Bechhoefer beschrijft het experimentele systeem tegenover Physics World als een “abstracte” en “bijna geometrische” manier om het Mpemba effect voor te stellen. Maar met behulp van het systeem identificeerden hij en Kumar de optimale “begintemperaturen” voor een Mpemba-koeleffect.

“Het suggereerde als het ware dat alle eigenaardigheden van water en ijs – alle dingen die het oorspronkelijke effect zo moeilijk te bestuderen maakten – in zekere zin perifeer zouden kunnen zijn,” vertelt Bechhoefer aan Physics World.