water

Misschien heb je wel eens gehoord dat je beter heet water kunt gebruiken om ijsblokjes te maken. Heet water zou sneller bevriezen dan koud water. Als je er even over nadenkt, klinkt dit nogal ongeloofwaardig. Het hete water moet immers eerst afkoelen tot de temperatuur van het koude water. Dat duurt natuurlijk even en vervolgens moet het nog bevriezen. Dat laatste traject zal toch wel even snel verlopen met dat ‘afgekoelde’ water als met het water dat die temperatuur al had, of niet soms?

Er blijkt echter toch wat meer aan de hand te zijn. Al eeuwen lang wordt het fenomeen van sneller bevriezen van heet water opgemerkt. Bij Aristoteles is het te vinden en veel later ook bij Descartes en Bacon. Blijkbaar was het een redelijk bekend fenomeen, maar nooit goed onderzocht.

Wetenschappelijke bijdrage vanuit Donker Afrika

Het kwam pas weer echt onder de aandacht van de wetenschappelijke wereld in 1969 door de publicatie van een artikel van Erasto Mpemba en Dr. Denis G. Osborne onder de titel ‘Cool?’. Zeker één van de coolste titels van een wetenschappelijke publicatie! Het artikel gaat over de ontdekking van de Tanzaniaan Erasto Mpemba die in 1963 op 13-jarige leeftijd constateerde dat zijn warme ijsmengsel sneller bevroor in de vriezer dan het mengsel van een vriendje dat er koud in gezet was. Mpemba beschrijft die ontdekking als volgt:

In 1963, when I was in form 3 in Magamba Secondary School, Tanzania, I used to make ice-cream. The boys at  the school do this by boiling milk, mixing it with sugar and putting it into the freezing chamber in the refrigerator, after it has first cooled nearly to room temperature. A lot of boys make it and there is a rush to get space in the refrigerator.

One day after buying milk from the local women, I started boiling it. Another boy, who had bought some milk for making ice-cream, ran to the refrigerator when he saw me boiling up milk and quickly mixed his milk with sugar and poured it into the ice-tray without boiling it; so that he may not miss his chance. Knowing that if I waited for the boiled milk to cool before placing it in the refrigerator I would lose the last available ice-tray, I decided to risk ruin to the refrigerator on that day by putting hot milk into it. The other boy and I went back an hour and a half later and found that my tray of milk had frozen into ice-cream while his was still only a thick liquid, not yet frozen.

Dr. Osborne, een docent in Dar es Salaam, kwam langs op de school van Mpemba voor een lezing en nam zijn verhaal serieus. Door zelf te experimenteren stelde hij vast dat er wel degelijk iets aan de hand was en nam initiatief tot het schrijven van het artikel samen met Mpemba.

Wetenschappelijk onderzoek

Er is sindsdien wel verder onderzoek naar gedaan en het Mpemba-effect blijkt echt te bestaan! Of het optreedt valt echter moeilijk te voorspellen, het hangt nogal af van de omstandigheden. De volgende effecten zouden namelijk allemaal een bijdrage kunnen leveren (o.a te vinden in een artikel van Monwhea Jeng):

1. verdamping: heet water verdampt meer en dus zal er uiteindelijk minder water hoeven te bevriezen.

2. rol van opgeloste gassen: in het hete water zit minder opgelost gas, maar hoe dat een verschil zou kunnen verklaren is niet zo duidelijk.

3. convectie: heet water geeft sneller hitte af en door convectie zou de temperatuur van toplaag in de hetere vloeistof ook hoog blijven. In de hete vloeistof ontstaat er een groter temperatuurverschil tussen bodem en oppervlakte.

4. geleiding: hete samples kunnen afhankelijk van de containers een andere geleiding veroorzaken met de omgeving. Een warm bekerglas kan de dunne ijslaag op de bodem van het vriesvak doen smelten, waarna er direct contact is tussen glas en de wand van het vriesvak.

5. isolatie: bij koude samples zou er eerder een ijskorst ontstaan bovenop de vloeistof, die isolerend zou kunnen werken voor de vloeistof eronder.

6. superkoeling: water bevriest niet zomaar bij 0°C, om ijskristallen te vormen zijn nucleatiekernen nodig. Bij afwezigheid van die kernen kan de temperatuur ver onder nul dalen (volgens laatste theorie tot wel -48°C!) , voordat ijsvorming optreedt. Het zou kunnen dat er een verschil is in de mate waarin superkoeling optreedt bij koude en opgewarmde vloeistoffen.

Dat fenomeen van superkoeling toont ook aan dat je niet zo makkelijk kunt vaststellen wanneer water bevroren is. En wat neem je eigenlijk aan als moment van bevriezen? Het onstaan van het eerste ijskristal? Of moet het duidelijk zijn dat de hele vloeistof door en door vast is geworden?

In het recente A Search for the Mpemba effect: When hot water freezes faster then cold water, James D. Brownridge (2010) worden de mogelijke oorzaken van het Mpemba-effect op een systematische manier onderzocht. Een belangrijk probleem bij eerdere onderzoeken was dat het nogal wat uitmaakte waar je sensoren plaatst om de bevriezing vast te stellen.

Brownridge doet het net wat anders: hij stelt vast wanneer de latente warmte vrijkomt. Doordat de watermoleculen zich bij het bevriezen vastnestelen in een kristalrooster, verliezen ze bewegingsvrijheid en moet er energie aan de omgeving afgestoten worden. De afbeelding hiernaast illustreert een van de typische temperatuurverlopen van de experimenten van Brownridge.

Ik ben wel onder de indruk van de aanpak. Brownridge is er dan ook jaren mee bezig geweest. Het artikel is gepubliceerd in januari van dit jaar (‘When Does hot water freeze faster then cold water? A search for Mpemba Effect’, American Journal of Physics, January 2011, Volume 79, Issue 1) maar tot die definitieve versie heeft niet iedereen toegang en de plaatjes zijn er trouwens ook minder fraai in.

De conclusie is dat het Mpemba-effect op kán treden ten gevolge van superkoeling:

Hot water will freeze before cooler water only when the cooler water supercools, and then, only if the nucleation temperature of the cooler water is several degrees lower than that of the hot water. Heating water may lower, raise or not change the spontaneous freezing temperature.

Als omstandigheden van de hete en koude samples niet precies gelijk blijven, kunnen ook de andere genoemde effecten een rol gaan spelen. Of hiermee het laatste woord gezegd is over het Mpemba-effect?

Het blijft onduidelijk of er condities zijn waarbij het opwarmen van een vloeistof de temperatuur waarbij die spontaan bevriest zou kunnen verhogen. In het artikel wordt wel het omgekeerde aangetoond: dat verhitten van water (van verse sneeuw) de spontane bevriezingstemperatuur kan verlagen (waarschijnlijk doordat nucleatiekernen worden afgebroken). Dat het Mpemba-effect kan optreden als je met exact dezelfde vloeistoffen start (waarvan je dus één sample verhit) en de condities goed onder controle houdt, is onwaarschijnlijk.

Nog steeds scepsis

Als je kijkt op de discussiepagina bij het Mpemba-artikel op Wikipedia, valt op dat het nog steeds niet zo maar geaccepteerd wordt. Ook op een site als Museum of Hoaxes kwam ik het ongeloof erin tegen. Tot zijn ontmoeting met Osborne werd Mpemba ook volstrekt niet serieus genomen door zijn leraar en medeleerlingen. Die zetten indertijd zijn ontdekking schertsend weg als ‘Mpemba physics’. De bijdrage van Mpemba aan de natuurwetenschap is eerder te danken aan zijn eigenwijsheid en doorzettingsvermogen dan aan geniaal inzicht.

Natuurlijk komen we ook lieden tegen die het effect (en de aanvankelijke scepsis van de wetenschap erover) omarmen om hun eigen rare ideeën plausibeler te laten klinken. Sommige homeopaten halen het aan als iets dat hun theorie over geheugen van water zou ondersteunen. Maar erg vaak kom ik het niet tegen, dan blijven kwantumeffecten toch populairder.

Leuk experiment

Ik kwam het volgende leuke filmpje tegen waarin aangetoond wordt dat heet water onder bepaalde omstandigheden inderdaad sneller bevriest. Misschien leuk om te proberen als we weer zo’n koude winter krijgen.

Het is in een heel andere setting dan door Mpemba beschreven. Die zal ook niet zo snel de omstandigheden van -26 °C in Tanzania hebben aangetroffen. Hier is echter toch wat anders aan de hand, lijkt me. De ijswolk die ontstaat bij het bijna kokende water is zo fijn, dat het eerder waterdamp is, die desublimeert (verrijpt). De bijna kokende vloeistof zal door het in de vriesdroge lucht te werpen, misschien lokaal de lucht oververzadigen met waterdamp, die dan meteen in fijne ijskristallen neerslaat. Met het Mpemba effect heeft het niet zoveel te maken, denk ik.

Wat is er intussen van Mpemba geworden?

Geen carrière in de natuurwetenschap. Ten tijde van het opstellen van het artikel dat zijn naam voor altijd(?) koppelt aan het beschreven effect, volgde hij een opleiding in Wildlife Management. In die business (in Tanzania vermoedelijk wat belangrijker dan de wetenschap), maakte hij een mooie carrière door. In 2002 nam hij afscheid als Principal Game Officer en ging vermoedelijk met pensioen.

Voor zover ik kon nagaan, heeft hij verder nooit meer wat op natuurkundig gebied gedaan. Zelf was hij ook wat cynisch over zijn bijdrage aan de wetenschap, misschien omdat hij, volgens Osborne, niet zo best scoorde bij zijn natuurkunde-eindexamen.

In Tanzania zelf is hij ook niet zo bekend geworden, want ik vond maar weinig Tanzaniaanse bronnen. En dat terwijl het Mpemba-effect misschien wel het enige verschijnsel in de natuurwetenschappen is dat de naam van een Afrikaan van beneden de Sahara heeft gekregen! Hoog tijd dat iemand er ook in de Swahili-Wikipedia een artikel aan wijdt (mijn eigen kennis van Kiswahili is er niet goed genoeg voor, helaas).

Voor de muziekliefhebbers heb ik nog een band met de naam ‘Mpemba Effect’ in de aanbieding, die Afrikaanse Loungemuziek maakt. Helpt misschien als rustgevend achtergrondmuziek bij het doorlezen van het artikel van Brownridge.