Wie gefriert heißes Wasser an der Oberfläche?

Das Mpemba-Phänomen: Warum gefriert heißes Wasser manchmal schneller als kaltes?

Das scheinbare Paradoxon, dass heißes Wasser unter bestimmten Bedingungen schneller gefriert als kaltes, ist seit Jahrhunderten bekannt und als Mpemba-Phänomen bekannt, benannt nach dem tansanischen Schüler Erasto Mpemba, der es in den 1960er Jahren wieder ins wissenschaftliche Bewusstsein rückte. Obwohl der Effekt reproduzierbar ist, gibt es bis heute keine einzige, allseits akzeptierte Erklärung. Vielmehr scheint eine Kombination verschiedener Faktoren eine Rolle zu spielen.

Der Text erwähnt bereits einen wichtigen Aspekt: die Verdunstung. Heißes Wasser verdunstet deutlich schneller als kaltes. Dies führt zu einer Reduktion der Wassermenge, die gefrieren muss. Je weniger Wasser vorhanden ist, desto schneller kann der Gefrierprozess ablaufen. Dieser Effekt ist besonders relevant bei flachen Behältern mit großer Oberfläche. Die verbleibende Wassermenge kühlt schneller ab, da weniger Wärme gespeichert werden muss.

Weitere Faktoren, die zum Mpemba-Phänomen beitragen könnten, sind:

• Konvektion: In heißem Wasser sind die Konvektionsströme intensiver. Das bedeutet, dass wärmere Wassermassen schneller nach oben steigen und kältere Wassermassen nach unten sinken. Dieser effizientere Wärmeaustausch kann die Abkühlung beschleunigen. In kaltem Wasser sind diese Strömungen schwächer, wodurch die Wärmeabfuhr langsamer verläuft.

• Überhitzung: Die Oberflächenspannung von heißem Wasser ist geringer als die von kaltem Wasser. Dadurch kann es zu einer schnelleren Wärmeübertragung an die Umgebung kommen. Auch die geringere Viskosität des heißen Wassers begünstigt den Wärmetransport.

• Gelöste Gase: Kaltes Wasser nimmt mehr gelöste Gase auf. Diese Gase können die Wärmeübertragung hemmen und den Gefrierprozess verlangsamen. Heißes Wasser entgast hingegen leichter, was zu einem effizienteren Wärmeaustausch führen kann.

• Wärmekapazität: Obwohl die Wärmekapazität von Wasser sich mit steigender Temperatur nur geringfügig ändert, kann dieser kleine Unterschied bei sehr präzisen Messungen einen Einfluss haben.

Es ist wichtig zu betonen, dass das Mpemba-Phänomen kein universelles Phänomen ist. Es tritt nur unter bestimmten Bedingungen auf, wie z.B. bei speziellen Behälterformen, Umgebungstemperaturen und Wassermengen. Ein einfacher Versuch mit zwei identischen Behältern, gefüllt mit heißem und kaltem Wasser, führt nicht immer zu einem schnelleren Gefrieren des heißen Wassers. Die komplexen Wechselwirkungen der oben genannten Faktoren machen es schwierig, eine eindeutige und universelle Erklärung zu finden. Die Forschung auf diesem Gebiet ist weiterhin aktiv und versucht, das Rätsel des Mpemba-Phänomens vollständig zu lüften.