Hoe kan warm water sneller bevriezen dan koud water?

Natuurkundigen debatteren nog steeds over de vraag of warm water consequent sneller bevriest dan koud water. Wanneer dit toch gebeurt, moet aan bepaalde voorwaarden worden voldaan.

Wanneer een vat met water wordt ondergedompeld in een ijskoude omgeving, bereiken verschillende delen van het water op verschillende tijdstippen een evenwicht. Water rond de rand van het vat wordt sneller kouder, wat betekent dat het kan bevriezen terwijl het water in het midden van het vat vloeibaar blijft. En wanneer je specifiek een vat met heet water in een vriezer plaatst (zoals het kokende water van 212 graden beschreven door Mpemba), komt er ook stoom vrij uit de bovenkant van het vat, en dit vermindert het totale volume water dat moet bevriezen.

Bovendien ontwikkelt koud water (of zelfs water op kamertemperatuur) vaak een laagje rijp op het oppervlak als onderdeel van het bevriezingsproces. Ironisch genoeg isoleert deze vorst het water tijdelijk (een beetje zoals een ijsiglo zijn bewoners isoleert tegen koude lucht), wat het algehele bevriezingsproces kan vertragen. Heet water blokkeert, althans in de vroege stadia, de vorming van ijs, waardoor koude lucht dieper in het vat kan doordringen.

Dit zijn enkele van de manieren waarop warm water sneller bevriezing kan veroorzaken dan koud water. Maar vergeet niet dat water, om te bevriezen en bevroren te blijven, een evenwichtstoestand moet bereiken.

Het onderzoek dat het Mpemba-effect kan bewijzen

Als er bewijs is dat het Mpemba-effect reëel en consistent is, komt dit uit een onderzoek uit 2020 door John Bechhoefer en Avinash Kumar. Het onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Nature, onderwierp microscopisch kleine glaskralen aan wat zij een 'energielandschap' noemden, bestuurd door lasers. De onderzoekers verwarmden kralen tot verschillende temperaturen. Vervolgens observeerden ze welke van de kralen als eerste een evenwichtstoestand bereikte binnen dat energielandschap.

Bechhoefer en Kumar merkten op dat microscopisch kleine korrels die bij hoge temperaturen begonnen, sneller een evenwicht bereikten dan microscopisch kleine korrels die bij lagere temperaturen begonnen. Dat is interessant genoeg, maar hoe verhoudt het bereiken van evenwicht zich tot bevriezing?

Het verband komt voort uit eerder werk van Zhiyue Lu van de Universiteit van North Carolina en Oren Raz van het Weizmann Institute of Science in Israël. Hun artikel, ‘Nonequilibrium thermodynamics of the Markovian Mpemba effect and its inverse’, gepubliceerd in Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) en beschreven door Quanta Magazine, stelt dat hetere materiesystemen in staat zouden kunnen zijn om vooruit te springen in het proces van evenwicht bereiken, waardoor een stabiele toestand sneller wordt bereikt dan een kouder systeem.

Als ontspanning richting evenwicht een cruciale maatstaf is in het bevriezingsproces van water, dan zou het gecombineerde werk van Bechhoefer en Kumar samen met Lu en Raz het bestaan ​​van een Mpemba-effect kunnen bewijzen.

Is het Mpemba-effect een bewezen wetenschappelijk feit?

Het Mpemba-effect wordt niet uniform aanvaard als een bewezen wetenschappelijk fenomeen. Eeuwenlange observaties en recent werk van Bechhoefer, Kumar, Lu en Raz hebben echter veel natuurkundigen ervan overtuigd dat warm water onder de juiste omstandigheden sneller een vriespunt kan bereiken dan koud water.

Sommige wetenschappers, zoals Harry Burridge en Paul Linden, blijven sceptisch. Ze erkennen dat hoewel sommige vaten met heet water sneller kunnen bevriezen dan vaten met koud water van gelijke grootte, zelfs de kleinste verandering in de omstandigheden het effect tenietdoet. Uit het eigen onderzoek van Burridge en Linden uit 2016, "Het Mpemba-effect in twijfel trekken:warm water koelt niet sneller af dan koud", bleek dat elk bewijs van een Mpemba-effect afhing van de grootte van een watervat en de plaatsing van een thermometer. In een afzonderlijk onderzoek ontdekte onderzoeker James Brownridge dat onzuiverheden in een vat met water (zoals die in Mpemba's ijsbrouwsel) het vriespunt van de vloeistof zullen veranderen. Hoewel ze erkennen dat er momenten zijn waarop warm water sneller bevriest dan koud water, beweren deze wetenschappers dat dit fenomeen niet overal op dezelfde manier van toepassing is in de natuur.

Andere natuurkundigen, zoals Raúl Rica Alarcón van de Spaanse Universiteit van Granada, zijn echter van mening dat deze nieuwe datasets, zoals die aangeboden door Bechhoefer en Kumar, significant zijn. "Mijn mening is dat het Mpemba-effect onder bepaalde bijzondere omstandigheden kan plaatsvinden", zegt Rica Alarcón, "maar we proberen nog steeds uit te vinden wat de minimale voorwaarden zijn om dit te laten gebeuren."

Het Mpemba-effect in context

Rica Alarcón merkt op dat naleving van het Mpemba-effect altijd gepaard gaat met drastische temperatuurverschillen tussen een vat met water en zijn omgeving. En, voegt hij eraan toe, je kunt net zo intrigerende verschijnselen waarnemen als je de temperatuur omkeert en bevroren ijs in een hete omgeving plaatst.

Het Mpemba-effect, zegt Rica Alarcón, "lijkt deel uit te maken van een grote groep abnormale thermalisatie-effecten, die plaatsvinden wanneer een systeem plotseling in contact wordt gebracht met een thermaal bad met een andere temperatuur." Het Mpemba-effect beschrijft een faseverandering van warm naar koud, zoals "wanneer je een warme kop neemt en deze in de koelkast of in de vriezer zet." Maar faseveranderingen van koud naar warm veroorzaken ook ongebruikelijke resultaten. "Interessante effecten treden op als je de temperatuur van koud naar heet verlaagt", zegt Rica Alarcón, "zoals wanneer je een ijsblokje in kokend water doet."

We weten dat vele generaties wetenschappers het bevriezen van heet water met verrassende snelheid hebben waargenomen. Rica Alarcón dringt er bij ons op aan dit proces holistischer te beschouwen en het Mpemba-effect te beschouwen als onderdeel van een breder fenomeen. "Thermalisatie", legt hij uit, "kan contra-intuïtieve paden volgen vanwege het feit dat de processen buiten evenwicht plaatsvinden."

Nu is dat koud

Net als zoet water kan oceaanwater bevriezen, alleen bij een lagere temperatuur. Zeewater bevriest bij ongeveer 28,4 graden Fahrenheit (minus 2 graden Celsius) vanwege het zoutgehalte, terwijl zoet water bevriest bij 32 graden Fahrenheit (0 graden Celsius).

Veelgestelde vragen

Welke praktische toepassingen kan het Mpemba-effect hebben?

Praktische toepassingen van het Mpemba-effect kunnen bestaan ​​uit efficiëntere koelprocessen in industriële omgevingen of het optimaliseren van vriesmethoden bij het bewaren van voedsel en cryogenie.

Waarom is het Mpemba-effect niet consistent reproduceerbaar?

De inconsistentie bij het reproduceren van het Mpemba-effect kan te wijten zijn aan verschillen in waterzuiverheid en containerkenmerken.