10.01.2016

Rätselhaft: Heißes Wasser gefriert schneller als kaltes

Der Mpemba-Effekt ist der Traum jedes Physiklehrers: ein widersprüchliches Phänomen, das sich relativ leicht zeigen, aber schwer erklären lässt und die Wissenschaft seit Jahrtausenden vor Rätsel stellt.

 

Was hat es damit auf sich? Nun, gegen jede Intuition gefriert heißes Wasser unter bestimmten Umständen schneller als kaltes. Obwohl es den »längeren Weg« zurücklegen muss, erreicht es eher das Ziel. Noch verblüffender als das Phänomen selbst, ist die Tatsache, dass die Forschung bisher keine befriedigende Erklärung dafür gefunden hat. Jedoch, Rettung naht! Wir sagen nur: Wasserstoffverbindungen.

 

Warmes Wasser hat einen Startvorteil

Bisher galt Verdunstung als überzeugendster Grund für den Mpemba-Effekt. Heißes Wasser verliert durch Verdunstung mehr Masse als kaltes, entsprechend weniger Masse muss gefrieren. Andererseits haben Forscher den Effekt auch dann beobachtet, wenn sie heißes und kaltes Wasser je in geschlossenen Behältern einfroren, also kein Wasser verdunsten konnte.

 

Eine Studie der Southern Methodist University in Dallas und der Nanjing University in China legt nun eine Erklärung auf moleku- larem Level nahe. Die Forscher stellten bei Simulationen fest, dass die Stärke der Verbindungen zwischen Wassermolekülen davon abhängt, wie die benachbarten Moleküle im Raum orientiert sind. Nicht jede dieser sogenannten Wasserstoff-brücken ist gleich stark.

 

Wird Wasser nun erhitzt, brechen die schwächeren Verbin-dungen. Dadurch ist der Anteil starker Wasserstoffbrücken in warmem Wasser höher als in kaltem. Die Moleküle mit starken Bindungen formieren sich zu Fragmenten, die beim Gefrier-prozess als Grundlage für die kristalline Struktur des Eis dienen. Kaltes Wasser, das auch schwache Wasserstoffbrücken enthält, hat diesen Startvorteil nicht.

 

Der Effekt wurde wiederentdeckt in Tansania

Soweit die Erklärung der Forscher. Empirische Studien werden zeigen müssen, ob sie sich erhärten lässt. Das war nämlich bisher häufig das Problem mit Theorien zum Mpemba-Effekt: Sie ließen sich in Experimenten nicht oder nicht konsistent bestätigen.

 

Sicher wissen wir immerhin, woher das Phänomen seinen Namen hat. 1963 wollte Erasto B. Mpemba, ein 13-jähriger Tansanier, Speiseeis herstellen. Normalerweise erhitzte er Milch mit Zucker und ließ die Mischung abkühlen, bevor er sie einfror. Doch an einem Tag konnte er es nicht abwarten und stellte die Mischung warm in den Eisschrank. Das Eis war schneller fertig, als jedes Eis vorher. Et voilà.

 

 

Quelle: Philipp Nagels für Die Welt

 Foto: Annick Monnier/Wikimedia

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