Fryser varmt vand hurtigere end koldt?

Endelig tøvejr! Men det skal jo nok blive frost igen. Og så kan man forsøge sig med et lille eksperiment og finde ud af, hvad der fryser først: varmt vand eller koldt vand?

Et par af vores læsere har hørt, at varmt vand faktisk fryser hurtigere end koldt. Den historie vil de gerne have be- eller afkræftet.

Helt præcist spørger Ole Leth Frisenvad for eksempel: »Hvis du smider en grydefuld koldt vand ud af døren, fryser den så før en grydefuld kogende vand, hvis der er minus 40 grader udenfor?«

Ikke så enkelt

Det er jo et spørgsmål, der burde være nemt at svare på for en fysiker. Med simple termodynamiske ligninger kan man vise, at det kolde vand selvfølgelig fryser først.

Men så enkelt er det bare ikke. Under visse omstændigheder vil det vand, der fra starten er varmest, faktisk fryse først, fortæller fysiker Malte Olsen fra Niels Bohr Institutet under Københavns Universitet.

»En beholder med ensartet varmt vand kan fryse før en tilsvarende beholder med ensartet koldt vand,« fortæller han. »Det er et ret indviklet forhold, som ikke er endeligt afklaret.«

En gymnasieelev undrede sig

Fænomenet kaldes Mpemba-effekten efter gymnasieeleven Erasto Mpemba fra Tanzania. I 1960’erne observerede han det kontraintuitive fænomen og insisterede på at finde en forklaring.

Han fik hjælp fra fysikprofessor Dennis Osborne, og sammen publicerede de i 1969 artiklen “Cool?” i tidsskriftet Physics Education.

Her blev effekten beskrevet og navngivet, men det kneb med at komme med en overbevisende forklaring. Og det har faktisk knebet lige siden, selv om mange fysikere har forsøgt sig.

Fordampning og strømninger

Mpemba-effekten ses kun under særlige forhold. Hvis man har et bæger med næsten kogende vand og et andet med vand med en temperatur meget tæt på frysepunktet, vil det kolde vand fryse først. Men lunt vand vil altså ofte fryse hurtigere end koldt.

Utallige eksperimenter viser, at det varme vand på en eller anden måde kan afgive sin varme hurtigere end det kolde vand. Og det store spørgsmål er så, hvordan det kan lade sig gøre.

Blandt fysikerne er der enighed om, at flere forskellige forhold spiller ind. For eksempel fordampning og strømninger i vandet, fortæller Malte Olsen:

»Den varme beholder vil have større fordampning, og vandmængden vil derfor mindskes, så mindre vand skal køles.«

»I en beholder med varmt vand vil der desuden være kraftigere strømninger end i en beholder med koldt vand. Derfor vil der i starten være hurtigere nedkøling.«

Et lag is isolerer

Det kræver vist lidt yderligere forklaring fra Malte Olsen, og den får vi da også:

»Vand ved fire grader celsius har den største densitet. Derfor vil dette vand hurtigt lægge sig på bunden, hvis strømningerne ikke er for kraftige. Og når overfladen derefter fryser, isoleres vandet af isen.«

»Men i den varme beholder betyder strømningerne, at overfladen er væsentligt varmere end bunden i lang tid, så hele vandmængden køles hurtigere ned samlet.«

De ekstra strømninger i det varme vand betyder altså, at der ikke så nemt dannes et isolerende islag øverst i beholderen. Der dannes først is i det kolde vand, men sammen med den høje grad af fordampning fra det varme vand – så der ender med at være mindre vand, der skal fryses – resulterer strømningerne i, at det varme vand samlet set fryser først.

Et komplekst fænomen

Men det er stadig ikke forklaring nok, medgiver Malte Olsen – og med ham de mange andre fysikere, der har kigget nærmere på fænomenet. Man bør også medtage faktorer som eventuel underafkøling og opløsningen af gasser ved forskellige temperaturer.

»Det er altså et meget komplekst fænomen,« siger han. »Der er heldigvis problemer endnu i verden, som ikke er endeligt løst, og som nogen kan kaste sig over engang. Spørgeren har valgt et af de problemer.«

Et ganske simpelt eksperiment kan altså give et resultat, som er uhyre svært for forskerne at forklare. Sådan er naturen så underfundig. Vi takker for spørgsmålet og sender en t-shirt til Ole Leth Frisenvad.

Udendørstemperaturen er ikke længere til, at man kan foretage eksperimentet i naturen, så vi anbefaler fryseren. Og så skal man bruge to helt ens beholdere med nøjagtig samme mængde vand – blot med forskellige temperaturer.

Tag for eksempel to tynde plast- eller papbægre og hæld vand fra den kolde hane i det ene og opvarmet vand – for eksempel fra den varme hane – i det andet. Sæt bægrene i fryseren et stykke fra hinanden – undgå at sætte dem direkte på is.

Og kig så til dem med jævne mellemrum – undgå at kigge for ofte for ikke at lukke for meget varm luft ind i fryseren. I hvilket bæger forvandler vandet sig først til is?

Allerbedst er det jo, hvis vi kan få sat tal på: Hvor mange centiliter vand rummer bægrene, hvilke temperaturer lægges der ud med, hvad er temperaturen i fryseren og hvor mange minutter tager det, før vandet er gennemfrosset?