Einführung
Das Phänomen, dass heißes Wasser schneller gefriert als kaltes, wurde bis zum Jahr 1969 immer wieder missbilligt, als ein Zufallsexperiment mit Eiscreme die Anomalie bestätigte. Ein von Mpemba, einem Gymnasiasten, durchgeführtes Experiment bestätigte, dass das Phänomen tatsächlich wahr ist.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Mpemba in seinem Experiment die Gefriergeschwindigkeit von zwei Eismischungen untersuchte: eine heiße Eismischung und eine auf Raumtemperatur abgekühlte Eismischung. Zu diesem Zweck legte er die Chargen gleichzeitig in einen Gefrierschrank und zeichnete die Zeit auf, die sie zum Gefrieren benötigten.
In seinen Ergebnissen stellte er fest, dass der heiße Eismix schneller gefriert als der kühle. Angesichts dieser Ergebnisse stellte er sich die Frage, was passiert sein könnte. Um alle Zweifel auszuräumen, führte er ein identisches Experiment durch, allerdings mit Wasser. Zu seiner Überraschung erhielt er ein doppeltes Ergebnis: “Heißes Wasser gefriert schneller als kaltes Wasser” (Katz, 2009).
Auf der Suche nach Antworten auf dieses Phänomen wandte sich Mpemba an mehrere Personen, darunter seinen Physiklehrer und Prof. Orsborn. Zu seiner Überraschung hatte keiner von ihnen eine Antwort auf diese Anomalie. Nach einer Reihe von Experimenten bestätigte Prof. Orsborn jedoch Mpembas Ergebnisse, die er zusammen mit Mpemba im Jahr 1969 unter dem Namen Mpemba-Effekt veröffentlichte (Auerbach, 1995).
Doch trotz dieser Erkenntnisse bleiben die meisten hartnäckigen Leser skeptisch gegenüber dem Phänomen. Ihre Erklärungen stimmen jedoch nicht mit wissenschaftlichen Grundsätzen überein.
Bis heute ringen Wissenschaftler auf der ganzen Welt darum, den Grund für den Mpemba-Effekt zu finden. Es gibt viele Erklärungen für diesen Effekt. Dies ist der Tatsache geschuldet, dass es keinen veröffentlichten gemeinsamen Nenner für die Bedingungen gibt, unter denen die einzelnen Experimente durchgeführt werden müssen, um den Mpemba-Effekt zu bestätigen.
Darüber hinaus gibt es eine Vielzahl von Variablen, die die Ergebnisse der verschiedenen Laborexperimente unterschiedlich ausfallen lassen. Verschiedene Mechanismen wie Verdunstung, gelöste Gase, Konvektion und die Umgebung sind als Gründe für den Mpemba-Effekt veröffentlicht worden. Angesichts der begrenzten Anzahl von Experimenten, die oft unter sehr unterschiedlichen Bedingungen durchgeführt wurden, kann keiner der vorgeschlagenen Mechanismen mit Sicherheit als “der” Mechanismus bezeichnet werden (Wojciechowski, 1995).
Analyse der Mechanismen, die bei der Suche nach der Ursache des Mpemba-Effekts im Vordergrund stehen.
Kurze Analyse der bei jedem Mechanismus angewandten Methodik.
Überprüfung der Literatur
Im Jahr 1969 wiederholte der Gymnasiast Mpemba durch ein Zufallsexperiment mit Speiseeis Behauptungen, die bereits von Aristoteles, Bacon und Descartes aufgestellt worden waren. Er behauptete, dass heißes Eis schneller abkühlt als kaltes Eis. Um seine Behauptungen zu untermauern, nahm er eine andere Flüssigkeit (Wasser), und die Ergebnisse waren ähnlich.
Er engagierte verschiedene Persönlichkeiten, darunter Prof. Osborne, der dieses Phänomen, das auch als Mpemba-Effekt bezeichnet wird, später als wahr veröffentlichte. Dies löste später in der Öffentlichkeit gemischte Reaktionen aus, sowohl was die Glaubwürdigkeit als auch die tatsächlichen Ursachen dieses Phänomens anging. Bislang wurde eine Reihe von Literatur veröffentlicht, die Mpembas Erkenntnisse zu widerlegen versuchte.
Im Jahr 1996 führte Mathews ein Experiment durch, um die Behauptungen von Mpemba zu bestätigen. So fordert er uns auf, Wasser in zwei Eimern zu gewinnen: einen bei 950 C und einen bei 500 C, aber an einem Tag mit Frost (Jearl, 1977).
Ihm zufolge gefriert das heißere Wasser schneller als das kalte Wasser. In seinen Forschungen behauptet er, dass auf einer Abkühlungskurve heißes Wasser etwas länger braucht, bevor es die Anfangstemperatur von relativ kälterem Wasser erreicht und schließlich dem Trend folgt, den das kalte Wasser verfolgt.
Offensichtlich ist der Effekt real, aber die Glaubwürdigkeit dieser theoretischen Behauptungen wird am besten durch den Mpemba-Effekt erklärt (Auerbach, 1995). Nichtsdestotrotz erklärt Mathews weiter, dass dieses Phänomen seine Wurzeln weit zurück in der Geschichte hat. So erklärt er, dass das Mysterium in der antiken Epoche, in der Holzeimer sehr beliebt waren, ein gängiger Ort war. Zu diesem Zweck führt er an, dass “Sir Francis Bacon, Descartes und sogar Aristoteles sich darüber geäußert haben sollen” (Auerbach, 1995).
Beschreibung der Forschung
Nach Ansicht der Wissenschaftler könnte der Mpemba-Effekt auf drei Mechanismen zurückzuführen sein: Verdunstung, gelöste Gase, Umgebung und Konvektion. Daher konzentriert sich diese Forschung auf diese Mechanismen.
Was die Verdunstung betrifft, so glauben die Wissenschaftler, dass die Verdunstung einen Anteil am Mpemba-Effekt haben könnte. Sie gehen davon aus, dass heißes Wasser durch Verdunstung eine erhebliche Menge an Volumen verliert. Folglich stünde ein relativ kleines Wasservolumen zur Kühlung zur Verfügung, so dass es schneller gefriert als ursprünglich kaltes Wasser. Diese Theorie ist jedoch auf offene Behälter beschränkt und kann daher nicht als “der” eigentliche Mechanismus gelten (Esposito, 2008).
Was die Versuchsmethodik betrifft, so müssen Zwillingsversuche mit unterschiedlichen Anfangstemperaturen durchgeführt werden. Die Daten über den tatsächlichen Verlust an Wasservolumen müssen zur Analyse tabellarisch erfasst werden. Ähnliche Vorkehrungen müssen auch für geschlossene Behälter getroffen werden. Vor allem sollten andere Faktoren konstant gehalten werden.
Was die gelösten Gase angeht, so glauben die Verfechter dieser Theorie, dass heißes Wasser eine geringe Kapazität für gelöste Gase hat. Daher glauben sie, dass sich die physikalischen Eigenschaften des Wassers in Abwesenheit der Gase ändern. Dies wiederum begünstigt die schnellere Entwicklung von Konvektionsströmungen, die für das schnelle Gefrieren des Wassers unerlässlich sind.
Außerdem glauben sie, dass sich dadurch der Siedepunkt von Wasser zugunsten von heißem Wasser verändert. Diese Theorie ist jedoch rechnerisch nicht untermauert (Esposito, 2008). Was die Methodik betrifft, so muss analysiert werden, wie schnell sich die Konvektionsströmung unter Verwendung einer Tinte in einem Zwillingsexperiment entwickelt, während andere Faktoren konstant gehalten werden.
Die Umgebung kann einen Einfluss auf die Abkühlungsgeschwindigkeit haben, insbesondere dann, wenn man nicht darauf bedacht ist, für beide Behälter ähnliche Umgebungsbedingungen zu schaffen. So kann ein Behälter mit heißem Wasser, der auf einer dünnen Frostschicht ruht, seine Umgebung auf komplexe Weise so beeinflussen, dass er schneller gefriert als ursprünglich kaltes Wasser. Die Wissenschaftler sind jedoch bestrebt, ähnliche Umgebungsbedingungen zu schaffen, um eine solche Unsicherheit zu vermeiden (Esposito, 2008).
Die Theoretiker der Konvektionsströme sind der Ansicht, dass diese Ströme für eine ungleichmäßige Temperaturverteilung verantwortlich sind; daher nehmen die Temperaturen von oben nach unten allmählich ab. Der Grund dafür ist, dass in Flüssigkeiten die Temperatur und die Dichte in umgekehrtem Verhältnis zueinander stehen.
Dadurch verliert die obere Schicht, die “heiße Spitze”, relativ schnell Wärme. Daher bleibt die Abkühlungsrate bei Erreichen der Anfangstemperatur der kühleren Flüssigkeit mit intakter “heißer Spitze” vergleichsweise schneller. Daher ist die durchschnittliche Abkühlungsrate für ursprünglich warmes Wasser schneller als für ursprünglich kühles Wasser (Esposito, 2008).
Die Methodik sollte darauf beruhen, dass die Temperaturen in den Zwillingsbehältern in Längsrichtung gemessen werden, aber gleichzeitig empfindliche Sonden in beiden Behältern verwendet werden, während andere Faktoren konstant gehalten werden. Um den Unterschied in der Abkühlungsgeschwindigkeit zu ermitteln, müssen Diagramme der Temperatur gegen die Zeit aufgetragen werden.
Der Zeitplan für die Durchführung des Experiments ist unten dargestellt.
Die Mittelzuweisung für das Experiment hängt davon ab, wie gut das eigene Labor ausgestattet ist und wie viele Rohstoffe zur Verfügung stehen. Daher ist das Budget für die drei Experimente nicht auf die unten aufgeführten Mittelzuweisungen beschränkt.
Kommentierte Bibliographie
Mathews, R. (1996). Heißes Wasser gefriert schneller als kaltes! Physics FAO, 1. abgerufen von http://sasuke.econ.hc.keio.ac.jp/~ken/physics-faq/hot_water.html
Im Jahr 1992 veröffentlichte Mathews auf der Grundlage einer persönlichen Erfahrung einen Artikel über die Anomalie des Wassers, den Mpemba-Effekt. Darin fordert er uns auf, zwei Wassermengen mit unterschiedlichen Temperaturen und an einem eiskalten Tag zu nehmen, um die Ergebnisse des Mpemba-Effekts festzustellen. Der Artikel von Mathews ist für die breite Öffentlichkeit bestimmt. Die angeblichen Ursachen dieser Anomalie erfordern jedoch wissenschaftliche Kenntnisse, um sie zu verstehen.
Mathews konzentriert sich eher auf die Zeit danach als auf die Zeit vor den Erkenntnissen von Mpemba. Dabei übersieht er andere Personen, die sich angeblich schon vorher zu dieser Erfahrung geäußert haben. In diesem Punkt ist Mathews Arbeit eng mit der von Ann Marie verwandt, die sich auf die Erkenntnisse nach Mpemba konzentriert. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Mathews’ persönliche Erfahrung den Mpemba-Effekt widerspiegelt – “heißes Wasser gefriert schneller als kaltes” (Mathews, 1996).
Referenzen
Auerbach, D. (1995). Unterkühlung und der Mpemba-Effekt: Wenn heißes Wasser schneller gefriert als kaltes. American Journal Physics, 63, 882-885.
Esposito, D. (2008). Mpemba-Effekt und Phasenübergänge bei der adiabatischen Abkühlung von Wasser vor dem Gefrieren. Physica America Journal, 387, 757-763.
Jearl, W. (1977). Heißes Wasser gefriert schneller als kaltes Wasser. Why does it do so? The Amateur Scientist, Scientific American, 237(3), 246-257.
Katz, J. (2009). Wenn heißes Wasser vor kaltem gefriert. American Journal of Physics, 77, 27-29.
Mathews, R. (1996). Heißes Wasser gefriert schneller als kaltes! Physics FAO, 1. abgerufen von http://sasuke.econ.hc.keio.ac.jp/~ken/physics-faq/hot_water.html
Wojciechowski, O. (1995). Einfrieren von wässrigen Lösungen, die Gase enthalten. Cryst. Res. Technol. 23, 843-848.