Beim Mpemba-Effekt geht es um ein Phänomen, das der Alltagserfahrung völlig widerspricht: Heißes gefriert schneller zu Eis. Heiß wird schneller Eis:
In den 1960er Jahren entdeckte Erasto Mpemba, ein Schüler aus Tansania, ein Phänomen, das jedweder Erfahrung zu widersprechen scheint: Heiße Flüssigkeit gefriert schneller als kalte! Mpembas Klasse stellte Eiskrem her und kochte die Milch vorher ab. Allerdings sollte die fertige Mischung erst dann in den Eisschrank gestellt werden, wenn sie abgekühlt war. Dummerweise wurde der Platz im Gefrierfach äußerst knapp, Beeilung war also angesagt. So stellte Mpemba, um noch einen der begehrten Plätze zu ergattern, seine bereits fertige, jedoch noch heiße Mischung kurzerhand in den Gefrierschrank. Und war nicht wenig erstaunt, dass sein Eis viel früher gefroren war als die kalt eingestellten Mischungen.
Ein Professor kümmert sich um die Entdeckung
Er erzählte die Begebenheit seinem Physiklehrer, doch dieser machte sich darüber lustig. Mpemba war jedoch beharrlich. In seiner Freizeit unternahm er weitere Versuche, die seine ursprüngliche Entdeckung bestätigten. Als Professor. Osborne seine Schule besuchte, berichtete Mpemba ihm von seinen Experimenten. Der Professor fand den Effekt so ungewöhnlich, dass beide weitere Forschungen durchführten; im Jahr 1969 veröffentlichten die beiden ihre Ergebnisse sogar.
Was die beiden allerdings nicht wussten: Das Phänomen ist schon seit Jahrhunderten bekannt, unter anderem berichten Aristoteles, Bacon und Descartes darüber. Anscheinend fand es jedoch nicht genügend Aufmerksamkeit in der wissenschaftlichen Forschung, die Ursache ist jedoch bis heute nicht abschließend geklärt. Unter Speiseeisherstellern scheint der Effekt allerdings als eine Art „So haben wir das schon immer gemacht“- Regel bekannt zu sein.
Was widerspricht der Intuition?
Der gesunde Menschenverstand sagt, dass es wohl nicht mit rechten Dingen zugehen kann, wenn etwas Heißes schneller kühlt und gefriert als etwas Kaltes. Wenn das kühlere Wasser zum Beispiel mit einer Temperatur von 20 °C startet, benötigt es vielleicht 10 Minuten, bis es gefriert. Beginnt man allerdings mit Wasser von 70 °C, so braucht diese Flüssigkeit einige Zeit, um auf 20 °C abzukühlen, egal wie schnell sie diese auch immer erreicht. Und dann kommen noch die 10 Minuten dazu, bis es gefriert. Das wärmere Wasser kann unmöglich früher gefrieren!
Es gibt unzählige Varianten des Experiments
Die meisten Experimente starten mit zwei identischen Behältern, die die gleiche Menge an Wasser enthalten. Die Wassertemperatur in dem einen Behälter ist dabei wesentlich (!) höher als die in dem anderen. Kühlt man die beiden Probegefäße in gleicher Art und Weise, dann friert das ursprünglich wärmere Wasser früher (oder auch nicht!).
Und bei dieser nicht sehr genauen Beschreibung fängt das Problem an, denn es gibt zahlreiche weitere Randbedingungen, die variiert werden können. So ist zunächst nicht klar, wie gekühlt werden soll. Aristoteles beispielsweise schreibt, dass er die Behälter in winterfrostige Luft gestellt hat. Aber man könnte sie ebenso gut – wie Mpemba – in einen Gefrierschrank stellen, in Schnee oder eine Kältemischung einbetten. Sollen die Behälter abgedeckt werden oder bleiben sie offen? Und wie sollen die Behälter überhaupt aussehen? Soll man sie isolieren? Sollen sie eher dünnwandig sein? Welche Mengen an Wasser sollen benutzt werden?
Wird das Wasser vorher abgekocht und was passiert mit anderen Flüssigkeiten wie Mineralwasser, Milch oder Sahne wie in Mpembas Experimenten? Und was soll man unter „gefrieren“ verstehen? Sollen dabei die Flüssigkeiten in den Behältern ganz durchgefroren sein, wie auch immer man das testen will, oder genügt eine Eisschicht obenauf? Vielleicht ist aber auch schon eine Temperatur von 0 °C ausreichend für das Versuchsergebnis. Klar ist: Bevor man nicht all dies geklärt hat, kann es passieren, dass selbst sorgfältige Experimente völlig unterschiedliche Ergebnisse hervorbringen (und sie tun es auch….).
Nichts ist wie vorher!
Viele Erklärungsversuche gehen davon aus, dass sich nach dem Abkühlvorgang das ursprünglich wärmere Wasser in einem ganz anderen Zustand befindet als das ursprünglich kältere Wasser. Mit anderen Worten: Irgendetwas ist mit dem wärmeren Wasser passiert!
Es könnte beispielsweise weniger geworden sein, vielleicht eine geringere Menge gelöste Gase enthalten oder Konvektionsströmungen ausgebildet haben, die den Abkühlvorgang wesentlich beschleunigten. Auch die Umgebung, in der das Gefäß steht, hat vielleicht einen großen Einfluss auf den Kühl- und Gefriervorgang. Eventuell ist also nicht die Temperatur das allein Entscheidende!
Verdunstung spielt eine Rolle
Wenn man ein Gefäß mit Wasser in eine kalte Umgebung bringt, wird beim Abkühlprozess die Verdunstung eine wesentliche Rolle spielen. Besonders schnelle Moleküle verlassen die Oberfläche der Flüssigkeit und entziehen damit dem Wasser Wärmeenergie, die Flüssigkeit kühlt. Selbstredend ist dieser Prozess beim heißeren Wasser ausgeprägter.
Bis es die Temperatur der kühleren Flüssigkeit erreicht, ist ein nicht vernachlässigbarer Anteil des Wassers sprichwörtlich aus dem Behälter verschwunden, besonders wenn der Behälter eine große obere Öffnung hat. Die reduzierte Menge kühlt (natürlich!) schneller ab und gefriert eher, in vielen Fällen sogar vor dem ursprünglich kühleren Wasser. Aber: Man erhält auch eine geringere Menge Eis, die im Fall von Eiskrem durch die Geschmacksstoff-Konzentration leckerer ausfallen dürfte.
Das Verdunstungsmodell ist nachvollziehbar und theoretische Berechnungen zeigen, dass die bei heißerem Wasser erheblich stärkere Verdunstung bei den unterschiedlichsten Temperaturbedingungen tatsächlich den Mpemba-Effekt deuten kann. Allein verantwortlich kann sie aber nicht sein, denn Experimente mit geschlossenen Behältern, bei denen zwar Verdunstung (und anschließende Kondensation am Deckel), aber praktisch kein Massenverlust auftritt, zeigen – unter bestimmten Bedingungen – ebenfalls den Mpemba-Effekt.
Konvektion setzt ein
Konvektionsströme könnten beim Abkühlprozess helfen: Zunächst kühlt die Flüssigkeit an ihrer (offenen) Oberfläche ab. Die untere Wasserschicht im Behälter ist nun heißer als die auf ihr lagernden Schichten. Da sie eine geringere Dichte hat, steigt auf und verteilt sich über die Oberfläche. Kalte Flüssigkeit wird zur Seite gedrückt und sinkt wegen ihrer größeren Dichte ab. Der „hot top“ gibt Wärme an die darüber liegende Luft ab, kühlt dabei ab und startet den Umwälzprozess von vorne.
Solche natürlichen Konvektionsströmungen bilden sich in heißen Flüssigkeiten in einer frostigen Umgebung viel schneller und kräftiger aus und führen dabei beträchtliche Mengen Wärme an ihre Umgebung ab. Klar ist, dass es von Größe und Form des Gefäßes sowie der Menge des Wassers in ihm abhängt, wie gut sich diese „nützlichen“ Strömungen entwickeln werden.
Auch auf die Eisbildung haben Konvektionsströmungen Einfluss: Beim Gefrieren werden sich an der Oberfläche zunächst kleine Bereiche mit Eiskristallen bilden, vor allem am Rand. Ohne störende Strömung überziehen sie bald die Oberfläche mit einer dünnen Eisschicht und isolieren die darunter liegende Flüssigkeit. Der Gefrierprozess schreitet dann nur noch langsam voran. Hat sich jedoch im heißeren Wasser erst einmal eine kräftige Konvektionsströmung ausgebildet, so wird diese auch bis zu den ersten Eisbildungen fortbestehen und diese mit in die Tiefe reißen. Einem schnelleren Durchfrieren der Flüssigkeit steht nun nichts mehr im Wege.
Was passiert mit gelösten Gasen?
Gelöste Gase können tatsächlich an dem Effekt beteiligt sein, denn sie haben Auswirkungen auf den Kühlprozess. Zunächst behindern sie durch ihre schlechte Wärmeleitfähigkeit den Fortgang des Gefrierprozesses. Im fertigen Eis erkennt man sie als Einschlüsse, z. B. in Eiswürfeln (siehe Hinweis in der Literatur). Heißes Wasser enthält, wie bekannt, nur wenig gelöste Luft oder andere Gase, beim vorherigen Kochen werden sogar fast alle gelösten Gase entweichen und die Eisbildung nicht mehr behindern können. Auch zu diesem Modell gibt es unzählige Experimente und auch Mpembas ursprünglicher Versuch weist in diese Richtung: Bei der Eisherstellung wurde die Milch vorher abgekocht. – So, und jetzt können Sie eigene Experimente starten!