Als Mpemba-Effekt wird das spezielle Phänomen bezeichnet, dass heißes Wasser unter bestimmten Bedingungen schneller gefriert als kaltes Wasser.

Beschrieben wurde dieses Phänomen schon von Aristoteles, Francis Bacon und René Descartes. 1963 stieß auch der tansanische Schüler Erasto B. Mpemba auf diesen Effekt, als er Speiseeis herstellte. Zusammen mit Dr. Denis G. Osborne veröffentlichte er 1969 die Ergebnisse zahlreicher Versuche zu diesem Thema. Jedoch dauerte es einige Jahre, bis dieser Effekt von der Wissenschaft akzeptiert wurde.

Zuerst einmal sollte man wissen, dass der Mpemba-Effekt bis heute nicht ausreichend erforscht wurde, um ihn vollständig und nachweislich zu erklären. Die folgenden Erklärungen sind teilweise nur Vermutungen wodurch dieser Effekt ausgelöst bzw. verstärkt wird.

Oft lässt sich der Mpemba-Effekt durch die stärkere Verdunstung des heißen Wassers hinreichend erklären. Durch die Verdunstungskälte kühlt sich das heiße Wasser ab und die Temperatur nähert sich schnell der des kalten Wassers. Da sich die Menge des heißen Wassers durch die Verdunstung merklich verringert, ist (bei Erreichen der gleichen Temperatur) die Menge der in dieser Probe enthaltenen Wärmeenergie geringer, wodurch sie schneller gefriert. Damit der Mpemba-Effekt durch die Verdunstung erklärt werden kann, gibt es folgende Voraussetzungen an den Versuchsaufbau:

• Der Wasserdampf kann von der jeweiligen Probe entweichen. Ansonsten entspricht die entstehende Kondensationswärme exakt der Verdunstungskälte und die Wassermenge kann sich nicht verringern.
• Die Menge des Wassers in den beiden Proben ist zu Beginn des Versuchs gleich. Wählt man die Wassermengen so, dass bei Erreichen der gleichen Temperatur beide Proben die gleiche Menge Wasser enthalten, müssten beide Proben gleich schnell gefrieren, wenn man andere Erklärungen außer Acht lässt.

In heißem Wasser sind normalerweise weniger Gase gelöst als in kaltem. Beim Gefrieren scheiden sich die gelösten Gase in Form von Gasbläschen im Eis ab (wodurch das Eis trübe erscheint) und vergrößern das Volumen des entstehenden Eises um bis zu ca. 3%. Dadurch wird der Eisblock im Falle des anfangs kälteren Wassers etwas größer, was den Abtransport der Wärme und damit die Gefriergeschwindigkeit etwas vermindert. Dieses kann den Mpemba-Effekt aber nicht verursachen, sondern nur geringfügig verstärken.

Heißes Wasser steigt aufgrund der geringeren Dichte nach oben. Durch die Verdunstungskälte kühlt das Wasser an der Oberfläche am stärksten ab. Durch die größeren Temperaturunterschiede innerhalb des heißen Wassers und durch die geringere Viskosität heißen Wassers ist die Konvektion hier größer und es kühlt schneller ab. Dadurch alleine kann der Mpemba-Effekt aber nicht verursacht, sondern lediglich geringfügig verstärkt werden.

Es wäre z.B. denkbar, dass das heiße Wasser einen Thermostaten der Kühlanlage beeinflusst, so dass das heiße Wasser stärker gekühlt wird. Auch könnte es passieren, dass beide Wasserproben auf einer Frostschicht stehen und das heiße Wasser diese Frostschicht auftaut, wodurch die Wärmeleitung erhöht wird und das heiße Wasser schneller abkühlt. Denkbar wäre auch, dass der entstehende Wasserdampf stärker auf der Seite des kalten Wassers kondensiert, wodurch diese Seite langsamer abkühlt.

Wenn absolut reines Wasser unter 0°C abgekühlt wird, bleibt es zunächst flüssig und kann unter optimalen Bedingungen auf bis zu -40°C unterkühlt werden ohne zu gefrieren. Sind in dem Wasser aber sogenannte Kristallisationskeime vorhanden, gefriert das Wasser ausgehend von diesen. Kristallisationskeime kommen z.B. in Form von Verunreinigungen des Wassers oder speziellen Oberflächen der Gefäße vor und sind in normalem Leitungswasser immer vorhanden, weshalb es bei Temperaturen unter 0°C gefriert.

Dieser Erklärungsversuch für den Mpemba-Effekt geht von einem Versuchsaufbau aus, in dem nur destilliertes Wasser verwendet wird. In dem heißen Wasser, so wird vermutet, bilden sich Kristallisationskeime. Dadurch würde dieses Wasser bei Temperaturen unter 0°C gefrieren, während das von Anfang an kalte Wasser unterkühlt und somit flüssig bleibt. Im Gegensatz zu den anderen Erklärungen ist hier irrelevant, welche Wasserprobe zuerst auf unter 0°C abkühlt. Unklar ist allerdings, ob überhaupt und wie sich diese Kristallisationskeime bilden.

Der Mpemba-Effekt ist vermutlich nicht auf Wasser beschränkt. Ob er auftritt und unter welchen Bedingungen, wird hauptsächlich durch die kalorischen Daten einer Substanz bestimmt.

Eine praktische Anwendung des Mpemba-Effekts im technischen Bereich ist unsinnig, da das gleiche Ergebnis stets auch durch andere Maßnahmen erreicht werden kann, und zwar noch schneller und dazu mit geringerem Aufwand. Auch wäre es vermutlich falsch zu denken, man könne Eiswürfel schneller mit heißem Wasser herstellen. Betrachtet man die Verdunstung als Haupteffekt, so ginge es schneller, wenn man die Wassermenge von vornherein reduzieren würde anstatt darauf zu warten, dass sich die Wassermenge durch Verdunstung verringert.

In der Fernsehsendung Clever! – Die Show, die Wissen schafft vom 13. März 2006 wurde der Mpemba-Effekt vorgestellt. Der Effekt wurde zum Teil durch die Entstehung von Kristallisationskeimen erklärt. Dieses war aber offensichtlich falsch, weil es sich bei dem heißen Wasser um gewöhnliches Leitungswasser handelte. Es waren also bereits Kristallisationskeime vorhanden und das Entstehen weiterer hätte keinen Einfluss auf den Versuch. Außerdem konnte bei dem Versuchsaufbau der Effekt hinreichend durch die schnellere Verdunstung des heißen Wassers erklärt werden.

• www.wissenschaft-technik-ethik.de - Der Mpemba Effekt
• The freezing of hot water - Ausführliche Informationen in Englisch
• The anomalies of water (incl. Mpemba-effect) - Wissenschaftlicher Blick auf die Anomalien des Wassers in Englisch
• Der Mpemba-Effekt bei Clever - Die Show, die Wissen schafft