Mpemba-Effekt
Als Mpemba-Effekt wird das spezielle Phänomen bezeichnet, bei dem heißes Wasser, unter bestimmten Bedingungen, schneller friert als kaltes Wasser.
Beschrieben wurde dieses Phänomen schon von Aristoteles, Francis Bacon und René Descartes. 1963 stieß auch der tansanische Schüler Erasto B. Mpemba auf diesen Effekt, als er Speiseeis herstellte. Zusammen mit Dr. Denis G. Osborne veröffentlichte er 1969 die Ergebnisse zahlreicher Versuche zu diesem Thema. Jedoch dauerte es einige Jahre bis dieser Effekt von der Wissenschaft akzeptiert wurde.
Der Mpemba-Effekt scheint den Gesetzen der Wärmelehre zu widersprechen, tut es jedoch unter gewissen Bedingungen nicht. Hauptursache für das Gelingen dieses Phänomens ist die Verdunstung des heißen Wassers. Während des Abkühlungsprozesses verdunstet bis zu ein Viertel des Wassers, was das Gefrieren in zweifacher Hinsicht beschleunigt: Zum einen wird dem Wasser Verdampfungswärme entzogen, zum anderen bleibt durch das Verdunsten weniger Wasser über, was noch gefrieren muss.
Das ist eine der vielen verschiedenen, nach heutiger Erkenntnis jedoch falschen Erklärungen für dieses Phänomen.
Führt man das Experiment sorgfältig durch und wählt die Wassermengen derart, dass die Menge des heißen, wie des kalten Wassers beim Erreichen von 0°C (=Schmelztemperatur von Eis) gleich groß sind, so tritt der Mpemba-Effekt dennoch auf. Die angegebenen Argumente der geringeren Wassermenge und der Verdampfungswärme sind damit nicht mehr gültig.
Die Erklärung des Phänomens liegt in der molekularen Struktur von Wasser und Eis. Die Anordnung der Moleküle in Wasser und Eis ist grundlegend verschieden. Damit reines Wasser gefrieren kann, müssen sich die Moleküle im Wasser zu Strukturen zusammenfinden, die denen des Eises ähneln (siehe dazu auch Kristallisation). Die thermische Bewegung der Moleküle im flüssigen Wasser ermöglicht eine zufällige Bildung von winzigen solcher Eis-ähnlichen Strukturen, den sogenannten Gefrier- oder Kristallisationskeimen. An diesen Keimen beginnt dann das Eis zu wachsen, bis schliesslich die gesamte Flüssigkeit durchgefroren ist. Die Ursache für den Mpemba-Effekt ist nun, dass sich in ursprünglich heißem Wasser mehr dieser Gefrierkeime auffinden lassen, als in dem anfangs kalten Wasser. Werden nun beide Gefäße mit heißem und kaltem Wasser relativ schnell abgekühlt, so tritt unterhalb von 0°C beim dem ursprünglich heißen Wasser das Gefrieren schneller ein, da dort mehr der für die Kristallisation notwendigen Gefrierkeime vorhanden sind.