Populärwissenschaft | Wenn heißes und kaltes Wasser zusammen in den Kühlschrank gegeben werden, warum gefriert das heiße Wasser zuerst?

Wenn eine Tasse heißes und eine Tasse kaltes Wasser gleichzeitig in den Kühlschrank gestellt werden, welche Tasse Wasser gefriert zuerst?

Im Jahr 1963 machte Erasto Mpemba, ein tansanischer Teenager, der noch zur Mittelschule ging, mit seinen Klassenkameraden Eis. Um den begrenzten Platz im Kühlschrank auszunutzen, wartete Mpemba nicht wie andere Schüler, bis die Milch auf Zimmertemperatur abgekühlt war, sondern stellte die frisch gekochte heiße Milch direkt in den Kühlschrank. Anderthalb Stunden später stellte er fest, dass seine heiße Milch zu Eiscreme gefroren war, die kalte Milch, die er zusammen mit der heißen Milch in den Kühlschrank gestellt hatte, jedoch immer noch eine dicke Milchpaste war. Wie kann heiße Milch schneller gefrieren als kalte Milch? Verwirrt fragte Mpemba seinen Physiklehrer an der weiterführenden Schule, doch dieser antwortete: „Sie müssen sich irren, das kann nicht wahr sein.“

Mpemba behielt diese Frage im Hinterkopf, bis der Physiker Dennis Osborne an Mpembas High School kam, um an einem Physikkurs teilzunehmen. Osborne erinnerte sich immer daran, wie der Teenager die Hand hob und fragte: „Wenn Sie zwei Becher nehmen, die jeweils mit gleich viel Wasser gefüllt sind, aber eine Tasse Wasser hat 35 °C und die andere 100 °C. Stellen Sie dann die beiden Tassen Wasser zusammen in den Kühlschrank. Sie werden feststellen, dass die Tasse mit 100 °C Wasser zuerst gefriert. Warum ist das so?“ Osborne glaubte es zunächst nicht, aber aus Neugier machte er ein Experiment. Osborne lud Mpemba daraufhin an die Universität von Daressalam in Tansania ein, um dieses Phänomen gemeinsam zu untersuchen, und nannte es „Mpemba-Effekt“.

1969 wurde ein Artikel von Mpemba und Osborn in der britischen Zeitschrift „Physics Teacher“ veröffentlicht. Der Artikel enthielt eine detaillierte experimentelle Aufzeichnung von „Mpembas Physikproblem“ und lieferte eine erste vorläufige Erklärung für die Ursache des Problems.

Sie führten eine Reihe von Experimenten durch. Als Versuchsgerät dient ein Becher aus Borosilikatglas mit 4,5 cm Durchmesser und 100 ml Fassungsvermögen, der 70 ml kochendes Wasser unterschiedlicher Temperatur enthält. Durch quantitative Analyse der Versuchsergebnisse wurden folgende Schlussfolgerungen gezogen: Die Kühlung hängt hauptsächlich von der Flüssigkeitsoberfläche ab; die Abkühlungsrate wird durch die Temperatur der Flüssigkeitsoberfläche und nicht durch ihre durchschnittliche Gesamttemperatur bestimmt; Durch Konvektion innerhalb der Flüssigkeit bleibt die Oberflächentemperatur der Flüssigkeit höher als die Körpertemperatur (vorausgesetzt, die Temperatur ist höher als 4 °C). selbst wenn die beiden Tassen Flüssigkeit auf die gleiche Durchschnittstemperatur abgekühlt werden, verliert das ursprünglich heiße System immer noch viel mehr Wärme als das ursprünglich kalte System. Die Flüssigkeit muss eine Reihe von Übergangstemperaturen durchlaufen, bevor sie gefriert. Daher ist es offensichtlich nicht ausreichend, den Zustand des Systems anhand einer einzigen Temperatur zu beschreiben. Zudem hängt dies auch vom Temperaturgradienten der Anfangsbedingungen ab.

Das Problem ist komplizierter als gedacht

Später führten viele Menschen auch auf diesem Gebiet zahlreiche Experimente und Forschungen durch und stellten fest, dass dieses scheinbar einfache Problem tatsächlich viel komplizierter ist, als wir uns vorgestellt hatten. Es handelt sich um ein echtes „multivariables Problem“.

(1) Physische Gründe

Aus physikalischer Sicht gibt es vier nebeneinander existierende Mechanismen zur Kühlung: Strahlung, Leitung, Verdampfung und Konvektion. Durch experimentelle Beobachtung und Vergleich der Ergebnisse wurde festgestellt, dass der Hauptgrund, warum heißes Wasser vor kaltem Wasser gefriert, die kombinierte Wirkung der Wechselwirkung von Leitung, Verdampfung und Konvektion ist. Es wäre anschaulicher, wenn der Gefriervorgang von heißem und kaltem Wasser beschrieben und die Gründe dafür analysiert würden: Eine Tasse mit kaltem Wasser mit einer Anfangstemperatur von 4 °C braucht lange zum Gefrieren, da Wasser und Glas Materialien mit schlechter Wärmeleitung sind und die Wärme im Inneren der Flüssigkeit nur schwer durch Leitung effektiv an die Oberfläche übertragen werden kann. Nikola Bregovic, ein kroatischer Forscher am Institut für Chemie der Universität Zagreb, glaubt, dass Konvektion die treibende Kraft ist, die den Mpemba-Effekt erklärt – Konvektion in warmem Wasser verteilt die Wärme gleichmäßig. Wenn die Temperatur des Wassers in der Tasse sinkt, dehnt sich sein Volumen aus, seine Dichte nimmt ab und es sammelt sich an der Oberfläche. Daher gefriert das Wasser zuerst an der Oberfläche und breitet sich dann zum Boden und in die umliegenden Gebiete aus, wodurch eine geschlossene „Eisschale“ entsteht. Zu diesem Zeitpunkt ist die innere Wasserschicht von der Außenluft isoliert und kann die Wärme nur durch Leitung und Strahlung ableiten. Daher ist die Abkühlungsrate sehr gering, was den normalen Abfall der Wassertemperatur in der inneren Schicht verhindert oder verzögert. Da sich Wasser beim Gefrieren ausdehnt, hat die bereits gebildete „Eisschale“ zudem eine gewisse hemmende bzw. hemmende Wirkung auf weiteres Gefrieren.

Bei einer Tasse mit heißem Wasser mit einer Anfangstemperatur von 100 °C ist die Gefrierzeit relativ viel kürzer. Man erkennt, dass sich die Eisschicht an der Oberfläche nie zu einer Eisdecke verbinden kann und es auch nicht zu einer Bildung einer „Eisschale“ kommt. An der Grenzfläche zwischen Eis und Wasser wachsen nur nadelförmige Eiskristalle in die Flüssigkeit hinein (dieses Phänomen ist nicht sichtbar, wenn die Anfangstemperatur unter 12 °C liegt). Mit der Zeit werden die Eiskristalle gröber. Dies liegt daran, dass das heiße Wasser mit seiner hohen Anfangstemperatur dichter wird, nachdem die obere Wasserschicht abgekühlt ist und nach unten fließt. Dadurch entsteht innerhalb der Flüssigkeit Konvektion, die dazu führt, dass die Wassermoleküle um ihre jeweiligen „Kristallisationszentren“ herum gefrieren. Je höher die Ausgangstemperatur, desto intensiver ist die Konvektion und desto größer ist der Energieverlust. Diese Konvektion erschwert die Bildung einer Eisdecke auf der oberen Wasserschicht. Aufgrund der Wärmeübertragung und der latenten Wärme des Phasenwechsels ist der interne Energieverlust pro Zeiteinheit groß und die Abkühlungsrate hoch. Wenn die Wasseroberflächentemperatur unter 0 °C fällt und niedrig genug ist, beginnen sich Eiskristalle auf der Wasseroberfläche zu bilden. Bei Wasser mit einer höheren Anfangstemperatur wachsen die Eiskristalle schneller. Dies liegt daran, dass sich noch keine Eisdecke gebildet hat und die Konvektion intensiv ist. Schließlich lässt sich beobachten, dass sich die Eisdecke weiterhin bildet und die Abkühlungsrate etwas langsamer geworden ist. Da die Eiskristalle im Wasser jedoch gewachsen und gröber geworden sind, verfügen sie über eine größere Oberflächenenergie. Die Wachstumsrate von Eiskristallen ist proportional zur Oberflächenenergieeinheit, daher ist die Wachstumsrate immer noch viel schneller als die von Wasser mit einer niedrigeren Anfangstemperatur.

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(2) Chemische Gründe

Physiker der Nanyang Technological University in Singapur haben herausgefunden, dass die Ursache des Mpemba-Effekts in den chemischen Bindungen zwischen Wassermolekülen liegt. Ein Wassermolekül besteht aus einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen, die kovalent gebunden sind. Wassermoleküle sind auch durch schwächere Wasserstoffbrücken an andere Wassermoleküle gebunden. Dies geschieht, wenn sich ein Wasserstoffatom einem Sauerstoffatom eines anderen Wassermoleküls nähert. Diese schwächeren Wasserstoffbrücken gelten als Grundursache des Mpemba-Effekts.

Veränderungen der chemischen Bindungen zwischen kaltem und warmem Wasser Wie Sie im Bild oben sehen können, sind die Wassermoleküle vor dem Erhitzen des Wassers dicht aneinander gepackt und „schieben“ sich gegenseitig. Die kovalenten Wasserstoffbindungen jedes Wassermoleküls werden gedehnt, wodurch sie Energie speichern können. Wenn Wasser erhitzt wird, nimmt seine Dichte ab und die Wassermoleküle beginnen sich zu trennen. Dadurch werden die schwächeren Wasserstoffbrücken zwischen den Molekülen gedehnt. Durch diese Dehnung oder Trennung der Wassermoleküle können sich die kovalenten Bindungen entspannen und Energie freisetzen. So wie für die Bildung von Regentropfen „Kondensationskeime“ erforderlich sind, benötigt Wasser zum Gefrieren zu Eis viele „Kristallisationszentren“ im Wasser.

Biologische Experimente haben ergeben, dass Mikroorganismen im Wasser häufig Kristallisationszentren sind. Manche Mikroorganismen vermehren sich in heißem Wasser (Wassertemperatur knapp unter 100 °C) schneller als in kaltem Wasser. Dies hat zur Folge, dass in heißem Wasser wesentlich mehr „Kristallisationszentren“ vorhanden sind als in kaltem Wasser, was den synergistischen Effekt des Gefrierens von heißem Wasser beschleunigt: Um die „Kristallisationszentren“, die die Kristallkeime der epitaktischen Kristallisation darstellen, wachsen Tochterkristalle. Durch Konvektion strömen Moleküle unterschiedlicher Orientierung durch die Tochterkristalle. Sie verlassen sich auf die molekularen Kräfte auf der Oberfläche der Kristalle, greifen die Wassermoleküle in der richtigen Ausrichtung und lassen epitaktisch viele Kristallkörner mit geordneter Anordnung der Moleküle wachsen, die im Wasser suspendiert sind. Die durch die Kristallisation freigesetzte Energie wird durch Konvektion freigesetzt und benachbarte Eispartikel verbinden sich zu Eis, bis das gesamte Wasser gefroren ist. Dies sind einige der Schlussfolgerungen und Erklärungen, die Wissenschaftler aus einer umfassenden Analyse der beobachteten Phänomene gezogen haben. Um das Rätsel des „Mpemba-Problems“ wirklich zu lösen und eine umfassende, quantitative und zufriedenstellende Schlussfolgerung daraus zu ziehen, sind jedoch weitere Untersuchungen erforderlich.

Einige Wissenschaftler schlagen nun vor, Kaliumpermanganat als flüssigen Tracer und ein doppelschichtiges Beobachtungsfenster aus elektrifiziertem Glas für weitere Beobachtungen zu verwenden. Interessierte Leser können es gerne einmal ausprobieren. Vielleicht sind Sie derjenige, der dieses seit über 20 Jahren bestehende Geheimnis lüftet.

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