Wie lange braucht Wasser zum Gefrieren bei?

Heißes Wasser gefriert im Eisfach schneller als kaltes Wasser. Bis heute gibt es trotz vieler Versuche keine allgemein akzeptierte Erklärung des sogenannten Mpemba-Effekts. Mögliche Einflussfaktoren sind die schnellere Verdunstung des heißeren Wassers, im Wasser gelöste Gase, die stärkere Konvektion von heißen Flüssigkeiten oder die Temperaturabhängigkeit der Unterkühlung.

Damit aus Wasser Eis wird, braucht es normalerweise 2 – 3 Stunden. Wenn draußen frostige Temperaturen herrschen, können Kinder eine erstaunliche Entdeckung machen: Mit diesem Experiment erleben sie, wie aus Wasser in Sekundenschnelle Eis wird.

Das wird gebraucht:

• 1 Plastikflasche
• Destilliertes Wasser

So wird’s gemacht:

Füllen Sie gemeinsam mit den Kindern destilliertes Wasser in eine Plastikflasche. Suchen Sie sich draußen einen Platz, an dem die Flasche 2 – 3 Stunden bei Minusgraden stehen kann. Sollte es an diesem Tag keinen Frost haben, können Sie die Flasche auch in den Gefrierschrank stellen.

Holen Sie die Flasche nach der festgelegten Zeit wieder in den Gruppenraum. Die Kinder werden erstaunt sein, denn das Wasser ist nicht gefroren. Nun schütteln die Kinder die Flasche. Blitzschnell wird aus dem Wasser Eis!

Das steckt dahinter: Reines, destilliertes Wasser gefriert nicht automatisch bei 0 Grad, sondern kann in flüssigem Zustand weiter unter den Gefrierpunkt heruntergekühlt werden. Denn damit Wasser zu Eis wird, müssen sich Kristalle bilden können. Dazu benötigt das Wasser einen Impuls. Aber da in reinem Wasser keine anderen Zusatzstoffe enthalten sind, fehlt dieser Impuls hier. Schütteln Kinder das stark gefühlte Wasser, wird der fehlende Impuls gegeben. Nun bilden sich sofort Kristalle und das Wasser wird zu Eis.

Meine erste Reaktion auf diese Frage war: Das kann doch gar nicht sein! …und mit dieser Einschätzung reagierte auch der Physik-Lehrer des Schülers Erato Mpemba aus Tansania, der seinen Lehrer mit der Frage überraschte: „Please, sir, why is it that when you put both hot milk and cold milk into the refrigerator at the same time, the hot milk freezes first?“ (Deutsch: Bitte, Sir, warum gefriert die heiße Milch zuerst, wenn man kalte und heiße Milch gleichzeitig in den Gefrierschrank stellt?) Später stellte er die Frage dem Physik-Professor Denis G. Osborne, der daraufhin systematische Experimente durchführte und die Resultate 1969 gemeinsam mit Erato Mpemba veröffentlichte. Wenn man nachforscht, findet man, dass ähnliche Beobachtungen schon von Klassikern der experimentellen Naturwissenschaften – wie Aristoteles, Bacon und Descartes – ausführlich beschrieben wurden; und bis heute stellen Eisverkäufer in Tansania ihre Milch heiß in den Kühlschrank, wenn sie an einem heißen Tag schnell Nachschub brauchen. Und Kinder in Kanada hält man dazu an, das Auto bei kaltem Wetter nie mit warmen Wasser zu waschen, weil es zu schnell gefriert.

Dennoch ist der Effekt den meisten Physikern nicht bekannt und oft bezweifeln sie zunächst die Sorgfalt des Experimentators, wenn sie davon hören. Schließlich hängt die Geschwindig­keit, mit der Wasser abkühlt, zunächst vom Unterschied zur Umgebungs­temperatur ab. Und es ist nicht einzusehen, warum heißes Wasser, das ja einen größeren Temperatur­unterschied zurücklegen muss, kaltes Wasser, das in diesem Sinne einen Vorsprung hat, einholen und dann sogar überholen kann! Die Veröffentlichung von Osborne und Mpemba bewirkte eine bis heute andauernde Diskussion, woran das liegen könnte. Dabei haben sich drei Lager gebildet, die sehr unterschiedliche Erklärungsansätze verfolgen:

1. Wenn sehr heißes Wasser in einer sehr kalten Umgebung abkühlt, kann ein erheblicher Teil verdampfen, wobei es dem verbleibenden Wasser noch Energie entzieht. Schlussendlich friert das verbleibende Wasser dann früher, aber es bildet sich eben auch deutlich weniger Eis, als wenn man kaltes Wasser ausgießt.
2. Wasser friert nur dann bei 0°C, wenn geeignete Verunreinigungen vorliegen, die das Bilden sehr kleiner Eiskristalle (sogenannter Embryonen) unterstützen. Ansonsten muss man es bis unter -7°C abkühlen. Neuere Forschungen weisen auf das überraschende Resultat hin, dass solche Verunreinigungen in zuvor erhitztem Wasser in größerer Zahl vorliegen, so dass es dann auch früher gefrieren kann.
3. Eine wesentliche Beobachtung bei dem von Mpemba betrachteten Abkühlen von Flüssigkeiten in einem geschlossenen Gefäß ist, dass sich in der heißen Flüssigkeit große Wirbel bilden, die Wärme sehr schnell nach außen tragen können. Dagegen wird die Wärme in einer sehr viel kälteren Flüssigkeit mittels der sehr viel langsameren Diffusion - also durch allmähliches Abdämpfen der Bewegung einzelner Atome - transportiert. Wenn die Wirbel lange genug leben, könnten sie dazu führen, dass die zunächst wärmere Flüssigkeit die Kalte beim Abkühlen überholt.

Das Verdampfen von Wasser ist sicher sehr wichtig, wenn beim Ausgießen von Wasser oder beim Waschen eines Autos eine sehr flache, weit ausgedehnte Wasserschicht vorliegt, über der sich schnell eine erhebliche Menge Dampf bildet. Auch mag es sein, dass heißes Wasser noch besser Kristallisationskeime für Eis-Embryonen aus der Erde lösen kann. Beim Abkühlen der Milch in dem Kühlschrank dagegen halte ich das Auftreten der Wirbel und die Beschleunigung des Wärmetransports für einen sehr wesentlichen Beitrag.

Abschließend lässt sich sagen, dass man inzwischen sogar noch weitere physikalische und chemische Effekten kennt, die in unterschiedlichen Situationen zu diesem überraschenden Effekt beitragen können, so dass schon ein leichtes Variieren der Bedingungen zu erheblicher Änderung der Beobachtungen führen kann. Verstanden hat die Wissenschaft diesen Effekt noch lange nicht!

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