Kontroverse seit 60 Jahren: Gefriert heißes Wasser schneller als kaltes?

Seit langem gibt es ein Sprichwort, dass heißes Wasser schneller gefriert als kaltes Wasser, und viele Menschen haben diese Schlussfolgerung sogar durch Lebenserfahrung und Experimente bestätigt. Dieses Phänomen wird Mpemba-Effekt genannt, benannt nach einem tansanischen Highschool-Schüler namens Mpemba, der das Phänomen 1963 wiederentdeckte. Die früheste aufgezeichnete Beobachtung dieses Effekts stammt aus der Zeit des Aristoteles. Der grundlegende Mpemba-Effekt verstößt jedoch gegen den ersten Hauptsatz der Thermodynamik. Was ist also der Grund dafür, dass die Menschen dieses magische Phänomen beobachten? Seit Beginn der systematischen Erforschung dieses Phänomens sind 60 Jahre vergangen, und noch immer gibt es keine perfekte Antwort.

Von Martin Bier (Professor für Physik, East Carolina University)

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Der 13-jährige Erasto Mpemba stellte in der Highschool fest, dass eine Mischung aus Milch und Zucker schneller fest wurde, wenn sie heiß in den Kühlschrank gestellt wurde. Dies ist eine Geschichte, die sich 1963 in Tansania ereignete.

Als Mpemba weiter an seiner Entdeckung arbeitete, sagte ihm sein Physiklehrer, dass das Unsinn sei. Andererseits sind die örtlichen Eisverkäufer auf der Straße mit Mpembas Beobachtungen nur allzu vertraut.

Einige Jahre später besuchte der berühmte britische Physikprofessor und Diplomat Denis Osborne Mpembas Schule und hielt einen Vortrag. Während der Frage-und-Antwort-Runde nach dem Vortrag erwähnte der junge Mpemba seine Entdeckung erneut, wurde jedoch erneut von seinem Lehrer und seinen Klassenkameraden verspottet.

Doch der angesehene Diplomat war fasziniert und experimentierte nach seiner Rückkehr nach Daressalam – nicht mit Eiscreme, sondern mit Wasser. Schließlich veröffentlichten die beiden 1969 einen Artikel in der Zeitschrift Physics Education (Mpemba und Osborne, 1969). Mpemba sollte letztendlich Recht behalten! Dieser sehr lesenswerte Artikel von Mpemba und Osborne ist zu einem Klassiker geworden.

Ein Diagramm aus der Abhandlung „Physics Education“ von Mpemba und Osborne aus dem Jahr 1969, das den Beweis liefert, dass heißes Wasser schneller gefriert als kaltes Wasser. Bildnachweis: Mpemba, EB und DG Osborne. 1969. Cool? Physikunterricht 4: 172–75.

Heute ist das Phänomen, dass heißes Wasser schneller gefriert als kaltes Wasser, als Mpemba-Effekt bekannt. Diese Ansicht reicht jedoch viel weiter zurück als bis in die 1960er Jahre. Im vierten Jahrhundert v. Chr. schrieb Aristoteles in seinem Werk zur Meteorologie, dass das vorherige Erhitzen von Wasser den Gefrierprozess beschleunigt, da es schneller abkühlt (Aristoteles 1952). Im frühen 17. Jahrhundert formulierte Francis Bacon erstmals eine Methode zur Gewinnung wissenschaftlicher Erkenntnisse und Einsichten durch Beobachtung und logisches Denken. In seinem Novum Organum schrieb er: „Leicht erhitztes Wasser gefriert leichter als vollständig abgekühltes Wasser“ (Bacon, 1902). In dem Artikel „Physikunterricht“ von Mpemba und Osborne wird diese Geschichte nicht erwähnt.

Nachdem Aristoteles den Mpemba-Effekt beschrieben hatte, nutzte er ihn, um zu erklären, warum es in heißen Klimazonen oft zu sintflutartigen Regenfällen kommt: „Aus demselben Grund regnet es in Arabien und Äthiopien eher im Sommer als im Winter und mehrmals am Tag mit großer Kraft: Die Wolken kühlen durch die hohe Temperatur rasch ab“ (Aristoteles, 1952). Dies ist eine falsche Interpretation eines realen Phänomens. | Bildquelle: Jessie Eastland, Wikimedia Commons.

Der Artikel von Mpemba und Osborne beschreibt detailliert, wie der junge, naive Mpemba missverstanden und verspottet wurde, als er von seinen Entdeckungen erzählte, und dass ihn kein Lehrer ernst nahm. Dies wird natürlich die Sympathie des Lesers für Mpemba wecken. Die Geschichte zeigt einen leidenschaftlichen und aufrechten jungen Mann, der mit dem engstirnigen „Establishment“ aneinandergerät. Es erinnert auch an die Kämpfe von Galileo und Einstein, beides bahnbrechende Wissenschaftler, die gegen eine herrschende Ordnung kämpften, die an Dogmen festhielt. Osbornes Experimente und die Artikel, die über ihre Ergebnisse berichten, sind die herzerwärmenden Happy Ends eines Hollywood-Films – eine Aschenputtel-Geschichte im Kontext der Wissenschaft des 20. Jahrhunderts.

Erasto Mpemba (Foto: PA Images / Alamy Stock Photo)

Der Mpemba-Effekt und seine Grundprinzipien

Tatsächlich ist der Artikel von Mpemba und Osborne in vielerlei Hinsicht falsch. Der Spott, den Mpemba erfuhr, basierte auf wissenschaftlicher Intuition. Der Mpemba-Effekt stellt die Erkenntnisse und das Verständnis in Frage, die Physikforscher im Laufe der Jahre gewonnen haben.

Im 19. Jahrhundert erkannten Physiker allmählich, dass Wärme eine Form von Energie ist. Wenn eine Gallone Wasser von seinem Siedepunkt (100 °C) auf seinen Gefrierpunkt (0 °C) abkühlt, wird Energie freigesetzt. Dieser Vorgang ist umkehrbar, das heißt, es muss dieselbe Energiemenge zugeführt werden, um das Wasser von seinem Gefrierpunkt wieder auf seinen Siedepunkt zu bringen. Wenn der Mpemba-Effekt real wäre, würde dies bedeuten, dass mehr Energie erforderlich wäre, um Wasser vom Gefrierpunkt auf 80 °C zu erhitzen als auf 100 °C. Dies widerspricht der Tatsache, dass eine Tasse Wasser offensichtlich eine höhere Temperatur erreicht, wenn man es länger in der Mikrowelle erhitzt.

Der Mpemba-Effekt verstößt gegen den ersten Hauptsatz der Thermodynamik, der besagt, dass Energie weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur von einer Form in eine andere übertragen werden kann. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik ist wahrscheinlich das am besten dokumentierte Gesetz der Physik und kann als universelles Prinzip betrachtet werden. Durch die Verletzung dieses Gesetzes ist es dank des Mpemba-Effekts möglich, ein Perpetuum mobile zu schaffen.

Es gibt sogar noch übertriebenere. Angenommen, wir haben zwei Tassen Wasser mit Zimmertemperatur. Die erste Tasse Wasser hatte lange Zeit Zimmertemperatur und die zweite Tasse Wasser ist gerade von einer höheren Temperatur abgekühlt. Wir stellen zwei Tassen Wasser in den Kühlschrank. Laut Aristoteles, Bacon und Mpemba gefriert das zweite Glas Wasser schneller als das erste, was bedeutet, dass sich die Gläser irgendwie daran „erinnern“, was in der Vergangenheit passiert ist (d. h., ob sie zuvor erhitzt wurden). Dies steht im völligen Widerspruch zu unserem Verständnis der Thermodynamik! In flüssigem Wasser bei Raumtemperatur bewegt sich jedes Molekül mit etwa 400 Metern pro Sekunde (Anmerkung des Herausgebers: die ursprüngliche Einheit ist Meilen pro Sekunde), und im Durchschnitt ereignen sich etwa eine Billion Kollisionen pro Sekunde. Dies wird als Brownsche Bewegung bezeichnet (Anmerkung des Herausgebers: Dies ist kein präziser Begriff). Die Temperatur ist einfach eine Zahl, die die durchschnittliche Energie der Brownschen Bewegung der Moleküle angibt. Die Brownsche Bewegung macht es den Molekülen in einem Glas Wasser unmöglich, eine bestimmte Struktur beizubehalten. Es gibt keinen Mechanismus zum Bewahren der „Erinnerung“.

Mpembas Beschreibung unterschiedlicher Gefrierraten widerspricht den Grundlagen der Thermodynamik. Im Jahr 1963 und auch heute noch besteht für Physiklehrer die berufliche Verpflichtung, darauf hinzuweisen und die Gründe dafür zu erklären. Der Mpemba-Effekt ist seit Jahrzehnten ein überraschendes und kontroverses Thema, vor allem weil Physiker schlecht konzipierte Experimente falsch interpretiert haben.

Brownridges Experiment

Im Jahr 2011 veröffentlichte James Brownridge von der State University of New York in Binghamton einen Artikel im renommierten American Journal of Physics (Brownridge, 2011). Brownridges Experimente waren sorgfältig und ausführlich beschrieben und diese Arbeit erwies sich als entscheidend.

Das Gerät, das Brownridge zur Untersuchung des Mpemba-Effekts verwendete. Durch die Eliminierung von Variablen, die außerhalb der Kontrolle des Experimentators liegen könnten, versuchte Brownridge, zuverlässige und wiederholbare Ergebnisse zu erzielen. Vom Autor gezeichnete Abbildung basierend auf Abbildung 2 aus Brownridges Artikel.

Wärme fließt von einem heißen zu einem kalten Objekt. Es gibt drei Möglichkeiten der Wärmeübertragung:

(1) Wärmeleitung findet im Inneren fester Materialien statt, wo die Moleküle an ihrer Position fixiert sind. deshalb wird ein Teelöffel in heißem Tee heiß.

(2) Konvektion tritt auf, wenn Gase oder Flüssigkeiten zwischen heißen und kalten Objekten zirkulieren und dabei Wärme übertragen; so funktioniert ein Umluftofen.

(3) Wärmestrahlung ist die elektromagnetische Strahlung, die von allen Objekten ausgeht. Je heißer ein Objekt ist, desto mehr Strahlung gibt es ab. Sonnenlicht ist beispielsweise die Wärmestrahlung, die wir von der Sonne erhalten.

Um den Mpemba-Effekt experimentell richtig zu testen, müssen diese drei Formen der Wärmeübertragung im Experiment so weit wie möglich kontrolliert werden.

Das obige Schema zeigt Brownridges Versuchsaufbau. Das destillierte Wasser befand sich in einem durch Schmelzen versiegelten Fläschchen, das an einem Draht in einem von einer Kupferbox erzeugten Vakuum aufgehängt war. Kupfer ist ein guter Wärmeleiter, wodurch sichergestellt wird, dass die Temperatur rund um die Flasche überall gleich ist. Die Temperatur der Flasche wird kontinuierlich und genau von einem elektronischen Gerät namens Thermoelement gemessen. Bitte beachten Sie, dass die Flasche nur durch Wärmestrahlung Wärme mit der Kupferbox austauschen kann. Aufgrund der Vakuumumgebung wurden Leitung und Konvektion ausgeschlossen. Die Wärmeübertragung durch den Draht ist vernachlässigbar.

Allerdings können wir auch in Brownridges Versuchsaufbau nicht alles vollständig kontrollieren. Der Gefriervorgang beginnt immer an einem Keimpunkt und breitet sich auf die Umgebung aus. Der Keimbildungsort ist normalerweise ein staubgroßes Partikel; Bei Leitungswasser oder Teichwasser sind die Keimstellen meist eine große Anzahl an Staubpartikeln oder anderen Verunreinigungen. Bei 0 °C gefriert das Wasser dann schnell. Doch in Brownridges Experiment konnte reines destilliertes Wasser sogar unter 0 °C flüssig bleiben, ein Phänomen, das als „Unterkühlung“ bekannt ist. Tatsächlich kann reines Wasser bis zu -45 °C flüssig bleiben. Das destillierte Wasser im Brownridge-Experiment neigt dazu, zwischen -20 °C und 0 °C zu gefrieren. Die Gefriertemperatur variiert zwischen Flaschen, ist für eine bestimmte Flasche jedoch immer gleich. Dies liegt höchstwahrscheinlich daran, dass es sich bei den Keimbildungsstellen in Brownridges Fläschchen um winzige Unregelmäßigkeiten in der Glaswand des Behälters handelte.

Brownridge stellte fest, dass bei Fläschchen gleicher Form und Größe immer das Fläschchen mit der niedrigeren Temperatur zuerst 0 °C erreichte. Grundsätzlich ist es möglich, dass das Fläschchen mit dem wärmeren Wasser früher gefriert als das Fläschchen mit dem kühleren Wasser. Wenn die Glaswände einer Wärmeflasche kleine Unregelmäßigkeiten aufweisen, kann dies zu einer höheren Gefriertemperatur führen. Es stellte sich heraus, dass Unregelmäßigkeiten in der Wand die Ursache für dieses Phänomen waren, was durch die Tatsache belegt werden kann, dass die Gefriertemperatur für dieselbe Flasche immer gleich war.

Details und Reproduktion

Bei der Durchführung eines wissenschaftlichen Experiments ist es sehr wichtig, alle Variablen und ihre möglichen Auswirkungen auf die Ergebnisse des Experiments zu berücksichtigen. Die spontane Entstehung – eine weitere Idee von Aristoteles – ist ein gutes Beispiel. Bis zum späten 17. Jahrhundert glaubten die Menschen, dass Fliegen aus verwesenden Leichen entstehen, Muscheln sich spontan aus Sand bilden und Mäuse aus dem Nichts aus Körnern entstehen. Einfache Experimente, bei denen Leichen, Sand und Körner isoliert und beobachtet wurden, widerlegten diese Vorstellungen.

Tansanische Eisverkäufer können bestätigen, dass Mpembas Beobachtungen nicht überraschend sind. Anbieter verwenden möglicherweise Gefrierschränke ohne Luftentfeuchter. Im Laufe des Tages wird der Gefrierschrank viele Male geöffnet und geschlossen, und jedes Mal gelangt eine gewisse Menge heißer und feuchter Luft hinein. Da kalte Luft eine geringere Luftfeuchtigkeit als warme Luft hat, setzt sich die überschüssige Feuchtigkeit in Form von Eiskristallen im Gefrierschrank ab und bildet eine Reifschicht. Luft ist ein guter Wärmeisolator. Wenn Sie eine Tasse Wasser in den Gefrierschrank stellen, erfolgt die Kühlung größtenteils über den Boden der Tasse, wo sie das Gefrierfach berührt. Wenn die Tasse jedoch auf eine Reifschicht gestellt wird, verlangsamt sich der Abkühlvorgang. Dies liegt daran, dass Frost porös ist und viel Luft enthält. Die Frostschicht ist eigentlich wie ein Kaschmirpullover zwischen der Tasse und der kalten Oberfläche. Stellen Sie sich nun vor, Sie stellen eine heiße Tasse auf eine dünne Frostschicht. Die Reifschicht kann schmelzen und die Tasse berührt schließlich vollständig den Boden des Gefrierschranks. Es kann dann schneller abkühlen als die Tasse, die anfangs kühler war, und so das Rennen um die Eisbildung gewinnen.

Die Behauptung, warmes Wasser gefriert schneller als kaltes Wasser, ist zu allgemein, um als wissenschaftlich zu gelten. Der Michigansee friert in einer kalten Nacht nicht zu, aber ein kleiner Behälter mit heißem Wasser, den man an den Rand des Michigansees stellt, gefriert leicht von oben bis unten. Daher ist der Maßstab ein Faktor. Auch das Material, aus dem die Kontaktfläche besteht, spielt eine Rolle. Wasser in einem Metallbehälter gefriert schneller als Wasser in einem Holzbehälter gleicher Größe und Form, da Metall Wärme besser leitet als Holz. Auch die Form des Behälters ist wichtig. Wasser auf einer Schale gefriert aufgrund der größeren Kontaktfläche schneller als eine gleiche Menge Wasser in einem kugelförmigen Behälter.

In wissenschaftlichen Arbeiten werden die experimentellen Verfahren und die verwendete Ausrüstung üblicherweise im Abschnitt „Materialien und Methoden“ ausführlich beschrieben. Ein guter Abschnitt „Materialien und Methoden“ gewährleistet die Reproduzierbarkeit experimenteller Ergebnisse. Die kurzen Diskussionen von Aristoteles und Bacon liefern nicht genügend Details, um herauszufinden, wie die Ergebnisse des Mpemba-Effekts zustande kamen. Aristoteles sagte dann weiter: „Viele Menschen setzen das Wasser, um es schnell abzukühlen, zunächst der Sonne aus“ (Aristole, 1952). Bacons Behauptung über den Mpemba-Effekt ist eine Randbemerkung in seiner obskuren pharmakologischen Beschreibung (Bacon, 1902).

In den Jahrzehnten nach der Veröffentlichung der Arbeit von Mpemba und Osborne im Jahr 1969 wurden viele Experimente zum Mpemba-Effekt durchgeführt. Manchmal wird dieser Effekt beobachtet, manchmal nicht. Verschiedene Forscher verwenden unterschiedliche Versuchsaufbauten und nur wenige versuchen, die Ergebnisse anderer vollständig zu reproduzieren. Die vielen Variablen, die beim Gefrieren von Wasser eine Rolle spielen, der Mangel an ausreichenden Details in der Berichterstattung und die Tatsache, dass der Aspekt der Reproduzierbarkeit nicht ausreichend betont wurde, führten letztlich dazu, dass der Irrtum des Mpemba-Effekts viel länger anhielt, als er sollte.

In den zehn Jahren seit Brownridges Artikel hat sich die Beschreibung des Mpemba-Effekts geändert. Es gibt weniger Arbeiten, die ungewöhnliche Mechanismen zur Erklärung des Mpemba-Effekts vorschlagen.

Im Jahr 2012 veranstaltete die Royal Society of Chemistry einen Wettbewerb mit einem Preisgeld von 1.000 £, um die beste Erklärung für den Mpemba-Effekt zu finden. Die Gesellschaft erhielt 22.000 Einsendungen und Mpemba nahm persönlich an der Preisverleihung teil. Gewinner war Nikola Bregović von der Universität Zagreb. In seiner preisgekrönten Arbeit beschrieb Bregovic seine Experimente und beschränkte seine Analyse auf einen grundlegenden thermodynamischen Rahmen (Bregović, 2012). Er wies auf vier Faktoren hin, die wichtig sein könnten: Verdunstung, gelöste Gase, Konvektion und Unterkühlung. Bregovic argumentiert, dass Unterkühlung der wichtigste Faktor sei und zitiert in seiner Schlussfolgerung Brownridges Artikel: „Wärmeres Wasser gefriert nur dann vor kälterem Wasser, wenn das kältere Wasser unterkühlt ist, und dies geschieht nur, wenn die Keimbildungstemperatur des kälteren Wassers mehrere Grad niedriger ist als die des wärmeren Wassers. Durch Erhitzen des Wassers kann die natürliche Gefriertemperatur gesenkt, erhöht oder unverändert bleiben“ (Bregović, 2012).

In einem langen Artikel, der 2016 in Scientific Reports erschien, gaben Henry Burridge und Paul Linden von der Universität Cambridge einen detaillierten Überblick über die Verwirrung und mangelnde Reproduzierbarkeit der Ergebnisse, die sich aus den Diskussionen zu diesem Thema seit 1969 ergeben haben. Die Autoren führten eigene Experimente durch und schlossen Unterkühlung als Faktor aus, indem sie die Zeit maßen, die Wasser benötigt, um auf 0 °C abzukühlen. Der Mpemba-Effekt wird nicht eintreten. Der Titel des Artikels bringt das Problem gut auf den Punkt: „Infragestellung des Mpemba-Effekts: Heißes Wasser kühlt nicht schneller ab als kaltes.“

Verweise

1. Aristoteles. 1952. Meteorologica. Übersetzt von HDP Lee. Loeb Classical Library 397. Cambridge, MA: Harvard University Press. Buch 1, Kapitel 12. Kostenlose Übersetzung auch online unter http://classics.mit.edu/Aristotle/meteorology.1.i.html.

2. Bacon, F. 1902. Novum Organum. Übersetzt von J. Devey. New York: PF Collier & Son. Buch 2, Kapitel 50, Abschnitt 4, S. 277. Auch online unter https://www.thelatinlibrary.com/bacon/bacon.liber2.shtml.

3. Bregović, N. 2012. Mpemba-Effekt aus der Sicht eines experimentellen Physikochemikers. Online unter https://www.rsc.org/images/nikola-bregovic-entry_tcm18-225169.pdf.

4. Brownridge, JD 2011. Wann gefriert heißes Wasser schneller als kaltes Wasser? Eine Suche nach dem Mpemba-Effekt. Amerikanisches Journal für Physik 79: 78–84.

5. Burridge, HC und PF Linden. 2016. Infragestellung des Mpemba-Effekts: Heißes Wasser kühlt nicht schneller ab als kaltes. Wissenschaftliche Berichte 6: 37665.

6. Mpemba, EB und DG Osborne. 1969. Cool? Physikunterricht 4: 172–75.

Nachtrag

Dieser Artikel wurde im Juni 2023 veröffentlicht. Am Ende zitierte der Autor als Schlussfolgerung einen Satz aus dem Artikel von Burridge und Linden aus dem Jahr 2016: „Der Titel des Artikels (von Burridge und Linden) fasst das Problem gut zusammen: ‚Infragestellung des Mpemba-Effekts: Heißes Wasser kühlt nicht schneller ab als kaltes Wasser.‘“ Es scheint, dass die wissenschaftliche Diskussion über den Mpemba-Effekt an diesem Punkt (2016) beendet sein sollte. Allerdings erschienen seit dem Artikel von Berlich und Linden aus dem Jahr 2016 jährlich eine beachtliche Anzahl weiterer Artikel zum Mpemba-Effekt, um nur einige (in chronologischer Reihenfolge) als Ergänzung zum Haupttext zu nennen:

1. Z. Lu und O. Raz, Nichtgleichgewichtsthermodynamik des Markovschen Mpemba-Effekts und seiner Umkehrung, PNAS 114, Nr. 20, 5083-5088 (2017).

2. M. Baity-Jesi, E. Calore, A. Cruz und D. Yllanes, Der Mpemba-Effekt in Spingläsern ist ein persistenter Memory-Effekt, PNAS 116, Nr. 31, 15350-15355 (2019).

3. A. Kumar und J. Bechhoefer, Exponentiell schnellere Abkühlung in einem kolloidalen System, Nature, Bd. 584, 64–68 (2020).

4. A. Kumar, R. Chétrite und J. Bechhoefer, Anomalous heating in a colloidal system, PNAS 119 (5), e2118484119 (2022).

5. R. Holtzman und O. Raz, Landau-Theorie für den Mpemba-Effekt durch Phasenübergänge, Nature Communications Physics, Bd. 5, 280 (2022).

Das Urteil über den Mpemba-Effekt scheint also offen zu bleiben. Weitere populärwissenschaftliche Einführungen zu diesem Effekt finden Sie im populärwissenschaftlichen Artikel des Quantum Magazine aus dem Jahr 2022: „Gefriert heißes Wasser schneller als kaltes?“ Physiker fragen immer wieder. | Quanta-Magazin. Weitere relevante Forschungsdetails finden Sie in den oben aufgeführten Artikeln und den darin zitierten Referenzen.

Dieser Artikel ist eine Übersetzung aus Martin Bier, „The Rise and Fall of the Mpemba Effect“, Skeptical Inquirere, Band 47, Nr. 4

Originallink:
https://skepticalinquirer.org/2023/06/the-rise-and-fall-of-the-mpemba-effect/

Produziert von: Science Popularization China

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