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19.02.2021
Verkehrte Welt - der faszinierende Mpemba-Effekt
Schnee und Kälte hatten Deutschland bis zum vergangenen Wochenende über einige Tage fest im Griff. Tagelanger Dauerfrost und teilweise strenge Nachtfröste im zweistelligen Minusbereich standen fast in allen Regionen des Landes auf dem Programm. Neben Meteorologen trieb es wetterinteressierte "Forscher" und Fotografen in die Kälte um einen faszinierenden als auch wunderschön anzuschauenden Versuch durchzuführen: Unter freiem Himmel wird heißes Wasser aus einem Glas oder einer Thermoskanne in die Luft geworfen. Dabei gefriert es, noch bevor es zu Boden fällt (siehe animierte Bildaufnahme unter: https://t1p.de/vl40). Führt man diesen Versuch hingegen mit kaltem Wasser durch, dann gelingt dieser Trick nicht annähernd so gut. Diese paradox erscheinenden Tatsache, dass wärmeres Wasser unter gewissen Bedingungen schneller zu Eis wird als kälteres, wird als Mpemba-Effekt bezeichnet.

Bereits die alten Griechen sind auf dieses Phänomen gestoßen und der Philosoph und Wissenschaftler Aristoteles erwähnte es bereits im vierten Jahrhundert vor Christus schriftlich in seinen Aufzeichnungen. Ihm nacheifernd versuchten vor allem seit der Neuzeit immer wieder Wissenschaftler der Besonderheit auf den Grund zu gehen, schafften es allerdings nicht, eine schlüssige Erklärung zu finden. Zwischenzeitlich ging die Thematik verloren, um 1963 schließlich wieder aktuell zu werden. Der junge Schüler Erasto B. Mpemba aus Tansania entdeckte beim Versuch Speiseeis herzustellen diesen schließlich nach ihm benannten Effekt wieder. Mpemba stellte die zuvor erhitzte Milch für das Speiseeis direkt in die Kühltruhe. Dort standen bereits identische Gefäße mit Milch, die bereits deutlich kälter waren. Dennoch stellte Mpemba fest, dass seine Milch - die zuvor heiße - zuerst gefror.

Dieser Wettlauf zum Gefrierpunkt zwischen zwei Gefäßen, die mit unterschiedlich temperierten Flüssigkeiten (z.B. Wasser oder auch Milch) gefüllt sind, funktioniert allerdings nicht bedingungslos. So benötigt man die identische Menge an Flüssigkeit. Der Temperaturunterschied zwischen den beiden Mengen sollte möglichst groß sein, wobei die Temperatur der kälteren Flüssigkeit nicht zu nah am Gefrierpunkt sein sollte, da diese sonst einen uneinholbaren Vorsprung hätte. Zugleich müssen auch Luftdruck sowie Temperatur der Umgebung identisch sein. Außerdem muss der Versuch in einem offenen thermodynamischen System stattfinden. Das heißt, die Flüssigkeiten müssen Energie und Materie mit der Umgebung austauschen können. Unter diesen Bedingungen lässt sich beobachten, dass das zu Versuchsbeginn wärmere Wasser schneller gefriert als das ursprünglich kältere Wasser.

Soweit so gut. Schwieriger wird es bei der genauen Ursachenforschung des Mpemba-Effektes. In der Wissenschaft existiert eine Vielzahl an Hypothesen über dieses scheinbare Paradoxon. Die bekannteste Hypothese sieht die wesentliche Ursache in der Verdunstung. Da der Dampfdruck (siehe DWD Lexikon) exponentiell mit der Temperatur ansteigt, nimmt die Menge des wärmeren Wassers durch Verdunstung im Vergleich zur Menge des kühleren Wassers überproportional ab. Das bedeutet, mehr heißes als kaltes Wasser verdampft, sodass die Menge des wärmeren Wassers beim Erreichen des Gefrierpunkts kleiner ist als die des kälteren Wassers. Da eine geringere Wassermenge weniger Wärme speichern kann als eine größere, gefriert die ehemals heißere und nun geringere Menge schneller als die vergleichsweise größere und ursprünglich kältere.

Neuere wissenschaftliche Ansätze deuten darauf hin, dass etwa im Wasser gelöste Gase ebenfalls eine Rolle spielen können. Diese könnten sich auf die Wärmemenge der Wasserprobe auswirken oder die Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkeit verändern, da die Gase und das Wasser verschiedene thermodynamische Eigenschaften besitzen. Außerdem ist die Wasserlöslichkeit von Gasen temperaturabhängig. So nimmt etwa warmes Wasser weniger Gas auf als kaltes, was den Mpemba-Effekt tendenziell sogar verstärken würde. Insgesamt wird der Einfluss der Gase in der Wissenschaft jedoch als gering eingeschätzt.

Weitere Untersuchungen geben Hinweise, dass Konvektion eine Rolle spielen könnte. Eine natürliche Konvektion entsteht durch einen Wärmegradienten (Temperaturunterschiede) in einer Flüssigkeit. Betrachten wir erneut unser Gefäß mit heißem Wasser in einer kalten Umgebung: Dann kühlen zuerst die äußeren Bereiche an den Rändern und der Oberfläche ab. In der Mitte des Gefäßes behält das Wasser hingegen am längsten seine Temperatur. Mit diesem Temperaturgefälle entsteht ein Dichteunterschied. Heißes Wasser hat eine geringere Dichte als kälteres. Dieser Umstand sorgt für Umwälzungen innerhalb der Flüssigkeit. Das heißere Wasser in der Mitte bekommt Auftrieb und drängt nach oben. So setzten sich insgesamt die Wassermoleküle in Bewegung und es entsteht Konvektion, die wiederum Wärme transportiert. Je größer der Temperaturunterschiede zwischen Wasser und Umgebung ist, desto stärker die Konvektion und desto schneller die Abgabe von Wärme, was wiederum zur Abkühlung führt. Diesen Umstand macht man sich beispielsweise beim Umrühren seiner heißen Tasse Kaffee oder Tee zu Nutze, indem man von außen mit dem Löffel Konvektion simuliert, um ihn schneller abkühlen zu lassen.

Trotz vieler Versuche gibt es bis heute keine universell akzeptierte wissenschaftliche Erklärung des Mpemba-Effekts. Auch einen sinnvollen praktischen Nutzen sehen die Wissenschaftler abgesehen vom Showcharakter in dem Phänomen nicht. Nichtsdestotrotz befassen sich viele Menschen, sobald es kalt genug ist, mit der "Magie" des Effektes. Sollte der Winter auch hierzulande noch einmal ausreichend frostig werden, ist jedoch beim Selbstversuch Vorsicht geboten, dass man sich nicht am heißen Wasser verbrüht (was so mancher Videomitschnitt schon gezeigt hat).

M.Sc.-Met. Sebastian Altnau

Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale Offenbach, den 19.02.2021

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