Was kann man dem Wasser hinzufügen, damit es schneller gefriert?

Das Rätsel des schnelleren Gefrierens: Der Mpemba-Effekt im Detail

Der Mpemba-Effekt, benannt nach dem tansanischen Schüler Erasto Mpemba, der ihn 1963 beobachtete, fasziniert Wissenschaftler bis heute. Die simple Frage, ob heißes oder kaltes Wasser schneller gefriert, entpuppt sich als überraschend komplex. Denn entgegen der Intuition kann unter bestimmten Bedingungen heißes Wasser tatsächlich schneller Eis bilden als kaltes. Dieser scheinbare Widerspruch zur Physik lässt sich nicht mit einer einfachen Erklärung belegen und ist Gegenstand anhaltender Forschung.

Es ist wichtig zu betonen: Man kann dem Wasser nichts hinzufügen, um den Gefrierprozess an sich zu beschleunigen. Der Mpemba-Effekt ist kein additives Phänomen, sondern ein Effekt, der unter speziellen Bedingungen mit reinem Wasser auftritt. Die Zugabe von Stoffen wie Salz oder Zucker senkt zwar den Gefrierpunkt, beschleunigt aber nicht das Gefrieren an sich. Im Gegenteil: Verunreinigungen verlangsamen den Prozess in der Regel.

Die Erklärung für den Mpemba-Effekt ist multifaktoriell und hängt von mehreren interagierenden Faktoren ab:

• Verdunstung: Heißes Wasser verdunstet schneller als kaltes. Dadurch verringert sich die Wassermenge, die gefrieren muss, was den Gefrierprozess beschleunigen kann. Dieser Effekt ist besonders bei größeren Wassermengen und bei niedriger Luftfeuchtigkeit relevant.

• Konvektion: In heißem Wasser ist die Konvektion, also die Bewegung der Wasserteilchen, stärker ausgeprägt. Diese Bewegung kann zu einer schnelleren Wärmeableitung führen und somit das Gefrieren beschleunigen. Kaltes Wasser hingegen ist tendenziell ruhiger.

• Gelöste Gase: Heißes Wasser löst weniger gelöste Gase, wie zum Beispiel Luft, als kaltes Wasser. Diese gelösten Gase können den Gefrierpunkt senken und den Gefrierprozess verlangsamen. Die geringere Gasmenge im heißen Wasser könnte daher zu einem schnelleren Gefrieren beitragen.

• Wärmeübertragung an den Behälter: Die Wärmeleitfähigkeit des Behälters spielt eine Rolle. Ein dünnwandiger Behälter sorgt für eine schnellere Wärmeableitung, was sowohl bei heißem als auch bei kaltem Wasser relevant ist. Die anfängliche Temperatur des Behälters selbst kann ebenfalls einen Einfluss haben.

• Überkühlung: Kaltes Wasser kann leichter unterkühlt werden, d.h. es kühlt unter den Gefrierpunkt ab, ohne zu gefrieren. Sobald dann die Kristallisation beginnt, friert es schnell. Heißes Wasser hingegen hat eine geringere Tendenz zur Überkühlung.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Mpemba-Effekt ein komplexes Phänomen ist, das durch ein Zusammenspiel verschiedener Faktoren beeinflusst wird. Es gibt keine einzelne, allumfassende Erklärung. Der Effekt ist nicht immer reproduzierbar und hängt stark von den experimentellen Bedingungen ab, wie z.B. der Umgebungstemperatur, der Luftfeuchtigkeit, der Wassermenge, der Behälterform und dem Material des Behälters. Die Erforschung des Mpemba-Effekts bleibt eine spannende Herausforderung für die Physik und zeigt, dass selbst scheinbar einfache Phänomene verblüffend komplex sein können.