Wie ist der Stand der Untersuchungen zum Mpemba-Effekt?

An einem langweiligen Montagmorgen im Labor führte eine Gruppe von uns das Experiment durch und zu unserer Überraschung stellten wir fest, dass das heiße Wasser (in verschlossenen Behältern) schneller gefriert.

Bei näherer Betrachtung stellten wir fest, dass die Regale in unserem Gefrierschrank mit Reif bedeckt waren, wie ich mir die meisten Gefrierschränke vorstelle, und das heiße Wasser den Reif schmolz und einen guten thermischen Kontakt zwischen dem Wasserbecher und dem Regal herstellte. Es stellte sich heraus, dass das heiße Wasser schneller gefror. Als wir das Gefrierregal gründlich gereinigt haben, verschwand der Effekt und das heiße Wasser brauchte länger zum Gefrieren.

Ich denke, die Gerüchte über das schnellere Einfrieren von heißem Wasser veranschaulichen die Gefahren von unsachgemäß kontrollierten Experimenten. Wie Ron erwähnt, könnte auch die Verdunstung ein Faktor sein, und ein Heimexperimentator würde leicht zu falschen Schlussfolgerungen kommen. Hinzu kommt die Tatsache, dass wir uns insgeheim alle freuen würden, wenn wir beweisen könnten, dass heißes Wasser wirklich schneller gefriert, und Sie können sehen, wie sich das Gerücht verbreitet hat.

Meine Arbeit nahm auch am RSC-Wettbewerb Mpemba-Effekt teil , aber weil es zu viele Einsendungen gab (über 22000), wurde das erste Screening von einem Team von Journalisten durchgeführt. Ich gebe Ihnen die Zusammenfassung: Wassermoleküle sind Dipole, die durch Wasserstoffbrückenbindungen positioniert und ausgerichtet sind. Beim Erhitzen von Wasser kollabiert diese Struktur (Erhöhung der Entropie). Nachdem das Wasser wieder auf eine niedrigere Temperatur abgekühlt ist, wird die Struktur nicht sofort rekonstruiert, sondern benötigt einige Zeit. ManchmalDie Zeit in einem Gefrierschrank reicht nicht aus, weil der Kühlprozess zu schnell ist. Entropiereduktionskurven als Funktion der Temperatur S=f(T) erscheinen relativ zu Entropiewachstumskurven verzögert (nacheilend). Das Wasser, nachdem es auf die Anfangstemperatur erhitzt und wieder abgekühlt wurde, hat mehr Entropie als vor dem Erhitzen. Das bedeutet, dass die Moleküle jetzt die gleiche kinetische Energie haben, aber die thermische Bewegung vor dem Erhitzen mehr an der oben erwähnten Struktur orientiert war. Rückkühlende zufällige Kollisionen sind eher möglich, was zu einer schnelleren Temperaturreduzierung führt. Siehe: Neue Erklärung

Wärmeres Wasser neigt dazu, sich schneller zu binden, aber auf unorganisiertere Weise. Moleküle bei einer Temperatur näher am „Gefrierpunkt“ benötigen mehr Zeit zum Binden, aber die Packungsfraktion ist effizienter. Dies ist die gleiche Philosophie hinter der Kristallherstellung. Die Quintessenz ist, dass unter denselben genauen Bedingungen wärmeres Wasser Eis schneller macht als kälteres Wasser, aber das Eis ist nicht dasselbe. Das mit wärmerem Wasser hergestellte Eis schmilzt schneller. Ich weiß, dass es Leute gibt, die an mir zweifeln, aber fragen Sie die Leute von Beverly Ice, sie werden Ihnen dasselbe sagen. Ihr Intel-Kristallzüchter wird es auch tun, die guten Sachen brauchen Zeit. Oh, und ich habe es letzte Nacht mit versiegelten Beuteln noch einmal überprüft, damit Frost keine Rolle spielt.

Die Erklärung ist, dass heißes Wasser verdunstet und weniger Wasser zum Gefrieren zurücklässt (siehe jedoch John Rennies Antwort auf einen Kontakteffekt, der wahrscheinlich der größte Faktor für die meisten Berichte über den Effekt ist. Abgesehen von Johns Effekt ...) ist dies der einzige Signifikanter Unterschied, es gibt keinen anderen, ungeachtet dessen, was Sie manchmal lesen. Der Verdunstungseffekt ist nicht einmal so groß, wenn Sie dem Wasser 10 Grad Temperatur hinzufügen, ist der Unterschied in der Verdunstung vernachlässigbar und das heiße Wasser gefriert um eine Zeit, die genau um die Zeit länger ist, die zum Abkühlen benötigt wird 10 Grad mehr.

Alle Experimente, die behaupten, dass ein geschlossener Behälter mit heißem Wasser schneller gefriert, sind unzuverlässig (siehe aber John Rennies Antwort). Aber aus offensichtlichen Gründen friert niemand in geschlossenen Behältern ein. Wenn Sie mit Plastikfolie bedeckte Bleche einfrieren, gefriert heißes Wasser langsamer. Es gibt keinen "Mpemba-Effekt", und ich finde es nicht schön, so etwas einem obskuren Studenten anzuhängen, der etwas Wahres aus Erfahrung berichtet.