Bevriest warm water eerder dan koud water?

[Jan van Ooijen]

Mpemba-effect

Het Mpemba-effect is het verschijnsel dat warmer water onder bepaalde omstandigheden eerder bevriest dan kouder water. Het effect is vernoemd naar de Tanzaniaanse scholier Erasto B. Mpemba, die het in 1963 waarnam bij het bevriezen van roomijs. Hij besloot er onderzoek naar te verrichten, en publiceerde in 1969 samen met Dr. Denis G. Osborne zijn bevindingen. In eerste instantie was men sceptisch over Mpemba's bevindingen, omdat ze in strijd leken te zijn met de wetten van thermodynamica. De experimenten waren gelukkig makkelijk te reproduceren, en keer op keer werd het effect bewezen. En toch lijkt het allemaal niet te kloppen. Stel dat water van 20 graden 30 minuten nodig heeft om te bevriezen, dan heeft water van 25 graden toch 30 minuten   de tijd dat het kost om tot 20 graden te komen nodig? Het antwoord is nee. Blijkbaar heeft het warmere water andere eigenschappen dan het koudere water waardoor het sneller bevriest.

De factoren die mogelijk een rol spelen bij het Mpemba-effect zijn:

*    Het effect van het verwarmen op opgeloste gassen. Naarmate water wordt verwarmd kan het minder gassen bevatten, die dan gedeeltelijk worden uitgestoten. De concentratie van gassen in de vloeistof heeft een effect op het vriespunt, zodat er met een hogere concentratie gassen meer tijd nodig is om te bevriezen. Initieel warmer water bevat dus minder gassen en heeft daarom minder tijd nodig om te bevriezen.

*    Verdamping, van het relatief warmere water zal meer water verdampen, waardoor er een kleiner volume gekoeld hoeft te worden. Op termijn kan dit ervoor zorgen dat het relatief warmere water het koudere inhaalt. Er zijn experimenten uitgevoerd waarbij ervoor gezorgd is dat verdamping niet op kon treden, en toch gold het Mpemba-effect nog wel. Als het dus een factor is, is het niet de enige.

*    Convectie. In een relatief warmere vloeistof treedt uiteraard meer convectie op. Doordat de warmte dus beter circuleert, gaat de koeling efficiënter. Wel moet gezegd worden dat als de relatief warmere vloeistof de temperatuur bereikt heeft waar de koudere mee begon, dat de mate van convectie op hetzelfde punt komt als dat waar de koudere mee begon. Convectie zorgt er dus voor dat de warmere vloeistof eerder het verschil met de koudere overbrugt, maar het verklaart niet dat de warmere vloeistof de koudere inhaalt.

*    Omgevingsinvloeden zoals het isolerende effect van aangevroren ijs. Het is best mogelijk dat het koudere water eigenlijk wel eerder bevriest dan het warmere, maar vervolgens zorgt het laagje ijs aan de rand ervoor dat de vloeistof wordt geïsoleerd, waardoor de verkoeling een stuk langzamer gaat.

*    Superkoeling, water dat eerst heet is zou minder gemakkelijk superkoelen dan koud water. Hierdoor wordt het laagje ijs uit de vorige factor wellicht eerder gevormd.

*    Ook speelt het materiaal dat bevroren wordt een rol. Door Mpemba's oorspronkelijke metingen weten we dat het effect opgaat voor roomijsmengsels, en de meeste experimenten worden gedaan met water. Toch geldt het Mpemba-effect voor meerdere vloeistoffen, zoals ook glycerol.

*    Bovendien zijn er verschillende definities van het begrip "bevriezen". Is het de fysische definitie van het punt waar het water zijn smeltpunt bereikt, of het punt waar de vloeistof een zichtbare ijslaag vormt, of het punt waar een gans volume water een vaste blok ijs is geworden?

Ten slotte is er nog een ander punt. De definitie van het Mpemba-effect is dat een warmere vloeistof eerder bevriest dan een koudere. Uit meerdere experimenten blijkt dat er nog een andere, logische, factor aan de definitie kan worden toegevoegd. Namelijk dat de warmere vloeistof ook sneller koelt dan de koudere. Stel het koude water begint op 20 graden Celsius, en het warme water op 30 graden. Het warme water zal in minder tijd van 20 naar 15 graden komen dan het koude water dat had gedaan.

Het effect was al gekend door klassieke wetenschappers zoals Aristoteles, Francis Bacon en René Descartes. Aristoteles weet het aan een fysische eigenschap die hij antiperistasis noemde, zijnde "de veronderstelde toename in intensiteit van een eigenschap door omringd te zijn door een tegengestelde eigenschap". Hij gebruikte het concept antiperistasis om het bewijs te leveren voor zijn stelling dat een menselijk lichaam en een watervolume warmer zijn in de winter dan in de zomer. Deze theorie werd later tegengesproken door waarnemingen in de Middeleeuwen en de renaissance. Omdat de verklaringen niet ondersteund werden door een controleerbare theorie, werd het effect in de moderne wetenschap tot de folklore gerekend.

Er is ook een moraal verbonden aan het Mpemba-effect. Omdat het effect zodanig tegen de intuïtie en verscheidene natuurwetten in (lijkt) te gaan, werd Mpemba in eerste instantie niet geloofd. Alleen dankzij zijn gedrevenheid en de herhaalbaarheid van het experiment heeft hij de buitenwereld kunnen overtuigen dat het effect toch echt bestaat.

Geen effect buiten
Schaatser Max Dohle onderzocht het effect bij vorst in de buitenlucht. Daarbij bleek dat een glas koud water bij herhaling eerder bevriest dan een glas warm water. Onder natuurlijke omstandigheden kon het Mpemba-effect dus niet worden aangetoond. Mogelijk raakt koud water in de diepvries eerst onderkoeld voordat het bevriest. Water dat absoluut stilstaat raakt eerst onderkoeld, omdat de ijskristallen zich niet kunnen hechten aan stofdeeltje in het water. Dat is een noodzakelijke voorwaarde voor ijsvorming.

Wikipedia