Peter Flore aus Löwen erklärt, warum heißes Wasser schneller gefriert als kaltes 2000 Jahre altes Physikrätsel gelöst

Löwen (WB). Warum gefriert heißes Wasser schneller als kaltes? Diese Frage beschäftigt Gelehrte und Physiker seit Aristoteles. Ein Informationselektroniker aus Löwen ist dem Rätsel jetzt auf die Spur gekommen und hat den so genannten Mpemba-Effekt gelöst.

Von Marius Thöne
Warum gefriert heißes Wasser schneller als kaltes? Peter Flore aus Löwen ist dem Rätsel jetzt auf die Spur gekommen und hat den so genannten Mpemba-Effekt gelöst. Durch den Temperaturunterschied werde eine Strömung im Wasser ausgelöst.
Warum gefriert heißes Wasser schneller als kaltes? Peter Flore aus Löwen ist dem Rätsel jetzt auf die Spur gekommen und hat den so genannten Mpemba-Effekt gelöst. Durch den Temperaturunterschied werde eine Strömung im Wasser ausgelöst. Foto: Marius Thöne

Peter Flore beschäftigt sich ein seiner Freizeit gerne mit harten Nüssen aus den Naturwissenschaften. »Ich grüble oft stundenlang über Phänomenen, die mir nicht auf den ersten Blick erklärbar scheinen«, sagt der 52-Jährige. Dann wagt er einen zweiten Blick und wenn es sein muss auch noch einen dritten. Auf diesem Weg ist er auch der Mpemba-Effekt auf die Spur gekommen.

»Bislang wurde immer angenommen, dass durch die Verdunstung dem heißen Wasser so viel Verdampfungsenergie entzogen wird, dass es beim Abkühlen den Vorsprung des kalten Wassers wieder aufholen kann«, erläutert Flore. Desweiteren sei durch die Verdampfung am Ende auch weniger Wasser im Gefäß, das gefrieren müsse. Allerdings erkläre dieser Zusammenhang den Mpemba-Effekt nur zum Teil.

Seine Lösung: Konvektion. Durch den Temperaturunterschied werde eine Strömung im Wasser ausgelöst. »Erstmals wurde dieser Vorgang 2013 vom kroatischen Physiker Nikola Bregovic beschrieben«, berichtet Peter Flore. Dieser sei aber davon ausgegangen, dass das unten liegende wärmere Wasser leichter ist, als das oben liegende kalte und somit in der Mitte des Glases nach oben steigt. »Doch damit hat Herr Bregovic nicht so ganz recht«, so Flore. Die von dem kroatischen Wissenschaftler beschriebene Konvektion trete nur ein, wenn ein Gefäß von unten erhitzt wird. Nur dann steige das unten wärmere Wasser in der Mitte nach oben und löse damit die Konvektion aus. »Beim Mpemba-Effekt wird jedoch keine Hitze hinzugefügt«, sagt Flore.

Der Löwener hat durch ein einfaches aber wirkungsvolles Experiment herausgefunden, wie es tatsächlich funktioniert. Er streute Curry in ein Wasserglas. »Curry setzt sich im Gegensatz zu anderen Gewürzen nicht am Boden ab, sondern schwebt im Glas«, erklärt der Informationselektroniker. Mit den Schwebstoffen konnte er die Konvektionen im Glas sichtbar machen. Konkret nahm Flore mehrere Gläser, in die er Wasser mit Curry einrührte und ließ diese auf verschiedene Temperaturen herunterkühlen. Anschließend stellte er die Gläser ins Gefrierfach. In verschiedenen Zeitabständen kontrollierte er diese, indem er sie mit einer Taschenlampe von hinten anleuchtete. »Dadurch konnte ich die Bewegungen der Schwebstoffe im Wasser beobachten.«

Peter Flore stellte fest, dass bei Wassertemperaturen bis 20 Grad Celsius gar keine Strömung (Konvektion) zu beobachten ist. Erst ab 21 Grad habe das Wasser begonnen, sich zu bewegen. »Es bildete sich aber keine komplette Konvektion wie von Bregovic beschreiben, sondern viele kleine Strudel«, berichtet Flore von seinen Beobachtungen. Die Strudel entstehen dadurch, dass das warme Wasser am Glas abkühlt, wodurch dieses schwerer wird als das umliegende warme Wasser und dadurch nach unten sinkt.

Er schlussfolgert aus seinen Versuchen, dass das Wasser im Glas mit einer Anfangstemperatur unter 20 Grad nicht zirkuliert und somit von außen nach innen durchfrieren muss. »Wasser ist ein schlechter Wärmeleiter, darum dauert das sehr lange«, erzählt Flore. Bei heißem Wasser sorgten die kleinen Strudel für eine Durchmischung und eine schnellere Durchkühlung. »Dadurch gefriert das heiße Wasser im Endeffekt schneller«, bringt Flore seine Lösung des Mpemba-Effektes auf den Punkt.

Kommentare

Diese Diskussion ist geschlossen. Kommentieren ist nicht mehr möglich.