Vriest warm water sneller op dan koud water? Het antwoord lijkt voor de hand te liggen: nee, want als alles gelijk is, doet warm water er langer over om af te koelen dan koud water, en kan het dus onmogelijk sneller bevriezen.
Maar waarnemingen gedurende duizenden jaren en talloze moderne experimenten hebben aangetoond dat het tegendeel waar is – onder zorgvuldig gecontroleerde omstandigheden lijkt warm water soms sneller te bevriezen dan koud water.
Hoe is dit mogelijk?
Hoe dat mogelijk is, weten de wetenschappers nog steeds niet – ze hebben zelfs nog steeds moeite om te bewijzen dat het effect überhaupt bestaat, zoals de eerste aflevering van Derek Mullers nieuwe wetenschapszender Sciencium uitlegt.
Het blijkt dat het bevriezen van water een stuk ingewikkelder is dan je zou denken.
Zoals in de video hierboven wordt uitgelegd, staat het verschijnsel dat warm water sneller bevriest dan koud water bekend als het Mpemba effect, genoemd naar Erasto Mpemba, een Tanzaniaanse student die in 1963 ijs maakte als onderdeel van een schoolproject.
De leerlingen moesten een mengsel van room en suiker koken, laten afkoelen en vervolgens in de vriezer doen.
Bang om een plekje in de vriezer te krijgen, deed Mpemba zijn mengsel erin terwijl het nog gloeiend heet was. Maar na anderhalf uur was zijn mengsel bevroren, terwijl dat van zijn klasgenoten niet het geval was.
Geïntrigeerd door dit fenomeen ging hij samenwerken met natuurkundeprofessor Denis Osborne, en samen waren ze in staat de bevindingen te repliceren en in 1969 een artikel te publiceren waarin werd aangetoond dat warm water sneller bevriest dan koud water.
Het was het eerste door vakgenoten beoordeelde onderzoek naar dit effect, maar zoals Derek in de video hierboven opmerkt, gaan de waarnemingen terug tot Aristoteles in de 4e eeuw voor Christus, die tijdens zijn experimenten waarnam dat warm water sneller afkoelde dan koud water.
Sir Frances Bacon en Descartes merkten het verschijnsel ook op in hun studies.
Maar wat is de fysica achter dit vreemde verschijnsel?
Zoals de video hierboven uitlegt, zijn er vijf voorgestelde mechanismen voor wat er hier aan de hand is:
- Smeltend ijs: Vorst is een isolator, en dus zou ijskoud water zijn warmte beter kunnen vasthouden dan een warm bekerglas dat de vorst van zijn wanden smelt.
- Opgeloste gassen: Er zijn meer opgeloste gassen in koud water dan in warm water, en onderzoekers hebben voorspeld dat dit een rol zou kunnen spelen bij de afkoeling, hoewel het niet duidelijk is hoe.
- Superkoeling: We weten allemaal dat water bevriest bij nul graden Celsius, maar soms wordt het een stuk kouder voordat het bevriest – een fenomeen dat bekend staat als superkoeling. Dit gebeurt omdat ijs een nucleatieplaats nodig heeft, zoals een luchtbel of onzuiverheid in het water, om zich te kunnen vormen. Dus misschien ondervindt warm water minder superkoeling dan koud water.
- Verdamping: Het bekerglas met warm water verliest meer watermoleculen door verdamping, dus er is minder om te bevriezen.
- Convectie: Tenslotte is er het idee dat warm water sneller zou kunnen afkoelen door verhoogde convectiestromen. Deze stromingen ontstaan doordat water vooral afkoelt via het oppervlak en de zijkanten van het bekerglas, waardoor koud water zinkt en warm water opstijgt en zijn plaats inneemt. De stromingen zijn groter in warme bekers, en kunnen de afkoelsnelheid beïnvloeden.
Er zit iets in al deze ideeën, maar het probleem is dat experimenten in de loop der jaren al deze effecten hebben gecontroleerd, en de resultaten zijn frustrerend inconsistent.
Sommige laboratoria hebben het Mpemba effect helemaal niet kunnen aantonen, terwijl andere het zelfs onder wisselende omstandigheden hebben laten zien.
Dus wat is het antwoord? Een nieuwe studie die dit jaar is gepubliceerd, suggereert dat het Mpemba effect misschien door iets heel anders wordt veroorzaakt – en dat het niets te maken heeft met hoe snel heet water afkoelt.
Derek legt het je uit in de video hierboven, en vergeet je niet te abonneren op zijn nieuwe kanaal.
Het is best gek om te bedenken dat we na millennia van observaties nog steeds zoveel te leren hebben over zoiets basaals als het bevriezen van water. Wetenschap is het beste.