Mpemba-Effekt

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Eiswürfel
Foto von djking

Mpemba-Was? Der nach Erasto B. Mpemba benannte Effekt, den er 1963 wiederentdeckte, beschreibt das Phänomen, dass warmes Wasser schneller gefriert als kaltes. Wiederentdeckt deshalb, weil vor ihm schon Aristoteles und Decartes ähnliche Beobachtungen festgehalten haben. Im Internet kursieren die aberwitzigsten Erklärungen dazu, ich will hier versuchen, ein wenig Klarheit zu schaffen.

Zunächst mal: Es ist tatsächlich so, dass heißes Wasser schneller gefriert. Allerdings muss man einige Rahmenbedingungen erfüllen: Die Temperaturdifferenz zwischen dem kalten und warmen Wasser soll möglichst groß sein, die Umgebungstemperatur unter 0 (wäre auch schwer, wenns anders wäre :) ) und es soll am Anfang eine gleiche Menge Wasser in gleichen und vor allem offenen Gefäßen sein.

Aber warum ist das nun so? Verdunstung ist das Stichwort, daher auch das offene Gefäß.

Während das kalte Wasser zunächst auf den Gefrierpunkt abgekühlt werden muss und anfängt, Eis zu bilden, verdunstet fröhlich Wasser aus dem Behälter mit heißem Wasser. Oft wird behauptet, es würden ca. 1/4 verdunsten, das ist aber viel zu hochgegriffen und 1/10 trifft es wohl eher – eine ausführliche Rechnung gibt es hier.
Dennoch reicht dieser Verlust an Wasser, sodass das restliche Wasser schneller abkühlen bzw. gefrieren kann, da die Menge nicht mehr so groß ist. Aus dem Alltag kennt man das, dass kleine Pfützen schnell gefroren sind, Teiche oder gar Seen hingegen brauchen vergleichsweise ewig, bis sie eine Eisschicht bilden, geschweige denn komplett zu Eis geworden sind.
Eine theoretische Versuchsreihe, mit verschiedenen Wassertiefen und unterschiedlichen Wassertemperaturen liefert Ergebnisse, die wunderbar mit dieser Theorie erklärbar sind. So ist zum Beispiel für 50°C warmes Wasser die Zeit am größten, da die Verdunstung mit der Temperatur exponentiell abnimmt und somit schon bei 50°C kaum noch Verdunstung stattfindet und die komplette Menge Wasser erst runtergekühlt werden muss.

Auf Basis der gemessenen Abkühlungs- und Verdunstungskurven sowie der in [link] abgeleiteten Beziehungen und Wärmeübergangsdaten wurden die für ein vollständiges Gefrieren erforderlichen Zeiten von großflächigen Wasserbecken für Anfangstemperaturen von 92,5, 50, 20, 10 und 0°C bei Außentemperaturen von -4, -8, -12, -16 und -20°C für Wassertiefen von 2 bis 30 cm berechnet. Dabei benötigten die 50°C warmen Wasserproben stets die längste Zeit, um vollständig zu gefrieren. Es zeigte sich außerdem, dass mit zunehmender Wassertiefe und zunehmender Annäherung der Außentemperatur an den Gefrierpunkt der Mpemba-Effekt immer deutlicher zutage tritt. Bei 30 cm Wassertiefe gefriert bei allen zugrundegelegten Umgebungstemperaturen von allen Wasserproben, einschließlich der anfangs bereits 0°C kalten Probe, das anfangs 92,5°C heiße Wasser am schnellsten. Bei dieser Wassertiefe und -4°C Umgebungstemperatur benötigt selbst die 50°C-Probe weniger Zeit als die 0°C-Probe.

Neben der Verdunstungstheorie gibt es noch weitere, z.B. dass im Wasser gelöste Gase oder andere Einflüsse die Gefriertemperatur von Wasser herabsetzen und dadurch ein Unterschied erklärt wird oder eine kürzlich veröffentlichte Theorie eines amerikanischen Forschers, nach der Salze, die normalerweise das Wasser am Gefrieren hindern, “beim Erhitzen […] jedoch aus[fallen], so dass sich das Eis schneller bilden kann”. Verstanden habe ich nicht, was damit gemeint war, denn soweit ich weiß setzen sich Salze höchstens nach Verdunstung ab, weil sie nicht mit verdunsten, aber dass sie bei hohen Temperaturen “deaktiviert” werden, davon hab ich noch nichts gehört. Vielleicht kann mich da jemand aufklären :)

Eiswürfel
Foto von firutin

Um zum Schluss zu kommen: Entscheidend bei diesem Effekt ist die Verdunstung des Wassers, sodass hinterher weniger Wasser zu Eis gemacht werden muss. Wenn ihr also demnächst schnell Eiswürfel haben wollt, könnt ihr das gerne mal ausprobieren – Effektiv ist es aber nicht, da man den Effekt des Verdunstens auch damit kompensieren kann, dass man weniger Wasser benutzt.

Links:
http://de.wikipedia.org/wiki/Mpemba-Effekt
http://www.wissenschaft-technik-ethik.de/wasser_mpemba-effekt.html
http://www.wissenschaft.de/wissenschaft/news/265993.html

Kurzlink
Kategorien: Erklärbär

5 Antworten auf Mpemba-Effekt

  1. Andi sagt:
    #1

    Ok, also mehr oder minder eines der ungelösten Geheimnisse unserer Welt!?
    Nungut.

    Ich bin ja froh, dass das Internet nicht mit sprechen funktioniert. Mit “Mpemba” hätte ich ein wenig Probleme ;).

    Und Wasser durch weniger Wasser zu ersetzen hört sich irgendwie an, wie:
    “Der große Salatteller aus der vegetarischen Salatbar schmeckt am Besten, wenn Sie ihn kurz vor dem Verzehr mit einem großen Stück Fleisch ersetzen”

  2. André sagt:
    #2

    Naja, ob nun das Wasser erst verdampfen muss und du dann hinterher weniger hast oder einfach direkt weniger Wasser reingibst macht keinen unterschied. Bzw. zweiteres ist sogar noch schneller, weil nichts mehr abkühlen muss :)

  3. Chris sagt:
    #3

    Das mit dem Salz ausfällen ist bissl komisch, dann würde der Effekt bei destilliertem Wasser ja net funktionieren. Tut er aber soweit ich weiß. Übrigens war das Ganze schon mal bei Clever! auf Sat1, die hatten aber auch keine eindeutige Erklärung sondern nur Vermutungen oder unbewiesene Erklärungsansätze dafür. Ist halt Chemie, da kann man nur noch beten ;D (muss grad auf Nachklausur lernen…)

  4. Chris sagt:
    #4

    Achja: Kann mir nicht vorstellen, dass das durch Verdunstung verschwundene Wasser was damit zu tun hat. Denn dann würde der Effekt ja bei größerer Oberfläche des Wassers deutlicher hervortreten. Stattdessen wird der Effekt aber stärker mit zunehmender Wassertiefe = größeres Volumen und verhältnismäßig weniger Oberfläche

  5. André sagt:
    #5

    Bist du dir da sicher? Soweit ich das gelesen habe, ist der eben wohl von der vergrößerten Oberfläche abhängig.

    Siehe dazu auch die Wikipedia