Heisses Wasser kann schneller gefrieren als kaltes Wasser -- der Mpemba-Effekt
Unter bestimmten Bedingungen gefriert heisses Wasser schneller als kaltes -- ein Phänomen, das seit der Antike bekannt ist.
Wissenschaftliche Erklärung
Stell dir vor, du füllst zwei identische Behälter — einen mit heissem und einen mit kaltem Wasser — und stellst beide ins Gefrierfach. Intuitiv würde man erwarten, dass das kalte Wasser schneller gefriert. Doch unter bestimmten Bedingungen passiert das Gegenteil: Das heisse Wasser gefriert zürst. Dieses überraschende Phänomen ist als Mpemba-Effekt bekannt, benannt nach dem tansanischen Schüler Erasto Mpemba, der es 1963 beim Eismachen beobachtete.
Schon Aristoteles, Francis Bacon und Rene Descartes hatten ähnliche Beobachtungen beschrieben. Trotzdem ist die genaue Ursache bis heute umstritten. Mehrere Mechanismen wurden vorgeschlagen:
- Verdunstungskühlung: Heisses Wasser verdunstet stärker, wodurch das verbleibende Volumen kleiner wird und schneller abkühlt.
- Konvektion: Die stärkere Konvektion in heissem Wasser sorgt für einen effizienteren Wärmeaustausch.
- Gelöste Gase: Heisses Wasser enthält weniger gelöste Gase, was die Kristallisation beeinflussen könnte.
- Wasserstoffbrücken-Dynamik: Neuere Forschung deutet darauf hin, dass die Anordnung und Stärke der Wasserstoffbrückenbindungen in warmem Wasser die Abkühlung beschleunigen könnte.
Wahrscheinlich wirken mehrere dieser Faktoren zusammen, und die genauen Bedingungen — wie das Gefäss, die Wassermenge und die Umgebungstemperatur — bestimmen, ob der Effekt auftritt.
Schritt für Schritt
Das Koordinatensystem
Wir betrachten die Temperatur zweier Wasserproben über die Zeit. Die x-Achse zeigt die Zeit in Minuten, die y-Achse die Temperatur in Grad Celsius.
Kaltes Wasser kühlt ab
Eine Probe mit 25 Grad Celsius Starttemperatur kühlt exponentiell ab. Die blaue Kurve zeigt den typischen Abkühlungsverlauf -- erst schnell, dann immer langsamer, da der Temperaturunterschied zur Umgebung kleiner wird.
Heisses Wasser kühlt ab
Nun startet eine zweite Probe bei 90 Grad Celsius. Die türkise Kurve zeigt: Sie kühlt deutlich steiler ab, weil der grössere Temperaturunterschied zur Umgebung den Wärmefluss beschleunigt.
Die Kreuzung
An einem bestimmten Zeitpunkt kreuzen sich die Kurven. Das heisse Wasser hat das kalte eingeholt -- obwohl es von einer viel höheren Temperatur gestartet ist.
Die Überraschung
Das heisse Wasser erreicht den Gefrierpunkt zürst! Verdunstungskühlung, stärkere Konvektion und veränderte Wasserstoffbrücken-Dynamik wirken zusammen. Der Mpemba-Effekt widerspricht unserer Intuition -- und ist doch experimentell belegt.
Alltagsrelevanz
Der Mpemba-Effekt ist eines der faszinierendsten Beispiele dafür, wie Wasser unsere Erwartungen durchkreuzt. In kalten Klimazonen nutzen manche Menschen diesen Effekt, indem sie heisses Wasser in die Luft werfen, wo es bei sehr tiefen Temperaturen sofort zu einer Dampf- und Eiskristallwolke gefriert — ein eindrucksvoller Effekt an kalten Wintertagen.
Auch beim Eismachen zu Hause spielt der Effekt eine Rolle: Manche Eisrezepte empfehlen, die Mischung zunächst zu erwärmen, bevor sie ins Gefrierfach kommt. Und im grösseren Massstab haben Eislaufbahnen-Betreiber berichtet, dass warmes Wasser manchmal schneller zu einer glatten Eisfläche gefriert als kaltes.