Fysiken bakom varför varmt vatten ibland fryser snabbare än kallt vatten

Historien säger att 1963 höll den tanzaniska gymnasieeleven Erasto Mpemba på att göra glass tillsammans med sin klass när han otåligt stoppade in sin socker- och mjölksammansättning i glasskaret när den fortfarande var varm, i stället för att låta den svalna först. Till hans förvåning svalnade konfekten snabbare än vad hans klasskamrater hade gjort.

Med hjälp av en fysikprofessor utförde Mpemba ytterligare experiment genom att placera två glas vatten, ett nykokt och ett varmt, i en frys och se vilket glas som nådde den iskalla mållinjen först. Ofta var vattnet med en högre starttemperatur det första som frös till is. Deras observationer utlöste en decennier lång diskussion om existensen och detaljerna i det kontraintuitiva fenomenet, som nu kallas Mpemba-effekten.

Nu visar ny forskning som publicerades den 5 augusti i tidskriften Nature inte bara att Mpemba-effekten existerar, utan belyser också hur den uppstår, rapporterar Emily Conover för Science News.

Istället för att experimentera med fruset vatten, som är förvånansvärt komplicerat att studera, riktade fysikerna Avinash Kumar och John Bechhofer från Simon Fraser University sina blickar – och lasrar – mot mikroskopiska glaspärlor. De mätte hur glaspärlorna rörde sig under mycket specifika förhållanden i vatten och såg att pärlor som började mycket varma under vissa omständigheter kyldes snabbare än de som inte gjorde det.

”Det är en av dessa mycket enkla uppställningar, och den är redan tillräckligt rik för att visa den här effekten.” Marija Vucelja, teoretisk fysiker vid University of Virginia, säger till Science News. Experimentet tyder också på att effekten kan visa sig i andra material än vatten och glaspärlor. Vucelja säger: ”Jag skulle kunna tänka mig att den här effekten dyker upp ganska generellt i naturen på andra ställen, bara vi inte har uppmärksammat den.”

Om fryspunkten är mållinjen är den initiala temperaturen som en startpunkt. Det skulle alltså vara logiskt om en lägre utgångstemperatur, med mindre avstånd till mållinjen, alltid är den första som når mållinjen. Med Mpemba-effekten är det ibland så att det varmare vattnet når mållinjen först.

Men det blir mer komplicerat. För det första har vatten vanligtvis andra saker, som mineraler, blandade i sig. Och fysikerna har varit oense om vad exakt mållinjen är: är det när vattnet i en behållare når frystemperaturen, börjar stelna eller stelnar helt? Dessa detaljer gör fenomenet svårt att studera direkt, skriver Anna Demming för Physics World.

Det nya experimentet gör sig av med de detaljer som gör Mpemba-effekten så dyster. I varje test släppte de en mikroskopisk glaspärla i en liten brunn med vatten. Där använde de en laser för att utöva kontrollerade krafter på pärlan och mätte pärlans temperatur, enligt Science News. De upprepade testet över 1 000 gånger och släppte pärlorna i olika brunnar och började vid olika temperaturer.

Under vissa krafter från lasern svalnade de varmaste pärlorna snabbare än pärlor med lägre temperatur. Forskningen tyder på att den längre vägen från en högre temperatur till fryspunkten kan skapa genvägar så att den heta pärlans temperatur kan nå mållinjen före den kallare pärlan.

Bechhoefer beskriver det experimentella systemet som ett ”abstrakt” och ”nästan geometriskt” sätt att föreställa sig Mpemba-effekten till Physics World. Men med hjälp av systemet identifierade han och Kumar de optimala ”utgångstemperaturerna” för en Mpemba-kylningseffekt.

”Det tydde på att alla särdrag hos vatten och is – allt det som gjorde den ursprungliga effekten så svårstuderad – på sätt och vis kan vara perifert”, säger Bechhoefer till Physics World.