Fysikk og Fascinasjon

en blogg om ny og gammel forskning, og om den fantastiske naturen

Fryser varmtvann fortere enn kaldtvann?

19 kommentarer

20140108-204445.jpgDu setter to glass med vann inn i fryseren. Til å begynne med er temperaturen i det ene glasset ti grader, og femti grader i det andre. I hvilket glass blir vannet først til is?

Dette høres ut som et dustete spørsmål. Vannet som starter ved femti grader er jo nødt til å passere ti grader før det kan nå null. Når det kommer til ti, er det ti grader varmt vann, akkurat som det andre vannet var da det startet. Det er ingenting som tilsier at vannet som en gang var varmere, skal komme seg fortere fra ti til null enn det andre glasset. Vann er vann. Det kalde vannet fryser vel først?

Mpemba-effekten

Det varme vannet fryser først.

Denne effekten har vært kjent i tusenvis av år. Aristoteles skrev om den 350 før Kristus, det samme gjorde Francis Bacon og René Descartes.

I dag er fenomenet kjent under navnet Mpemba-effekten, og er således et av de få naturfenomener med afrikanskklingende navn. Ernesto Mpemba var en skoleelev i Tanzania som i 1963 oppdaget at melkeblandingen hans ble til iskrem fortere dersom den var varm når han satte den i fryseren. Han ble gjort til latter av lærere og medelever, men fikk, flere år senere, observasjonen sin bekreftet av en universitetsfysiker, Denis Osborne, som besøkte skolen. Denne fysikeren hadde lært at man aldri skulle gjøre narr av elevers spørsmål. Historien og resultatene ble publisert av Mpemba og Osborne i en nydelig artikkel i 1969. Jeg anbefaler alle å lese den.

Sirkulasjonsforklaringen

Man skulle kanskje ikke tro det, men frysing av vann er en komplisert sak. Det er alt for mye som kan varieres: Formen og størrelsen på beholderen, temperaturen på fryseren, luftstrømmene inne i fryseren, mengden av gass og salter som er oppløst i vannet… og lista kan gjøres mye lengre. Det er imidlertid vanskelig å tro at ti grader varmt vann som var femti grader for litt siden, skal være anderledes enn ti grader varmt vann som har vært ti grader lenge. Vann er vann. Derfor er den mest populære forklaringen på Mpemba-effekten basert på forskjellige sirkulasjonsmønstere som oppstår i beholderen med vann.

Når et glass med vann settes inn i fryseren, mister det varme fra sidene, bunnen og toppen. Vannet i midten av glasset holder seg forholdsvis varmt. Kaldt vann er tyngre enn varmt vann. Vann som kjøles ned langs kantene av glasset vil derfor synke ned til bunnen av glasset, mens varmt vann stiger opp. Denne sirkulasjonen gjør nedkjølingen mye raskere enn om vannet hadde ligget helt i ro. I varmt vann blir temperaturforskjellen mellom midten og kantene av glasset større, slik at sirkulasjonen blir raskere. Når den gjennomsnittlige temperaturen i glasset har nådd ti grader, er fortsatt en god del av vannet varmere, og fortsetter å drive de kraftige strømmene. Slik kan vannet i glasset fortsette å kjøles raskere enn det som ble satt inn ved ti grader.

Mpemba utenfor fryseboksen

Det fantes ingen frysebokser på Aristoteles tid, så Mpemba-effekten kan ikke være et rent fryseboksfenomen. Her i Norge har mange fått erfare at det er varmtvannsrørene som fryser først i sprengkulde. Mpemba-effekten får mye oppmerksomhet i USA for tiden, men ikke fordi amerikanerne har blitt veldig opptatt av å sette vann i fryseboksen, men fordi folk går ut i sprengkulda og kaster kokende vann opp i lufta. Vannet blir til en sky av is. Det samme skjer ikke med kaldtvann.

Screenshot 2014-01-08 20.42.55

Når vann fryser i rør, og ikke minst når en vanndråpe blir til is i brøkdelen av et sekund, er det vanskelig å bruke sirkulasjonsmønstrene fra glasset i fryseboksen som forklaring. Er vann – bare vann?

Vannvittig rart

Vannmolekylet består av ett oksygenatom og to små hydrogenatomer som er bundet tett sammen. Hydrogenene og oksygenet ligger ikke pent på linje, men danner en slags V, med oksygenet i bunnen av vinkelen. Dette gjør at vannmolekylet er har negativ ladning på den ene siden og positiv ladning på den andre siden, som igjen gjør at vannmolekyler har en tendens til å klistre seg sammen, hydrogen mot oksygen.

I fjor kom en gruppe kinesiske forskere med en temmelig dristig forklaring på Mpemba-effekten. De mener å ha beregnet at når vann varmes opp og utvides, beveger vannmolekylene seg fra hverandre, men dette får samtidig hydrogenene til å dyttes nærmere oksygenet inne i hvert enkelt molekyl. Den svake bindingen blir lengre, men den sterke blir kortere. Den sterke bindingen er omtrent som en fjær som blir dyttet sammen. Når vannet kjøles ned, må molekylene komme nærmere hverandre igjen. Den komprimerte fjæra inne i molekylet virker da som et slags ekstra batteri som hjelper molekylene til å komme sammen og temperaturen til å gå ned. Det finurlige med denne modellen er at det skal ta ganske lang tid, flere minutter, for disse fjærene å utvides igjen. Derfor er ikke nødvendigvis vannet som var femti grader og har blitt ti akkurat det samme som vannet som startet ved ti grader. Det trenger litt tid på å nå den avslappede vanntilstanden igjen.

Dette var fryktelig vanskelig, så jeg tar det igjen. Ola, Halvor og Odd står på rekke. Ola og Halvor er oksygen og hydrogen i molekyl nummer en, og er sterkt knyttet til hverandre. Odd er oksygenet i molekyl nummer to. Halvor og Odd henger løselig sammen. Når det blir varmt i været, vil Odd og Halvor stå lengre fra hverandre, men spillets regler er sånn at dette gjør at Ola og Halvor blir dyttet nærmere hverandre, mot sin vilje. Når temperaturen går ned igjen, synes Odd og Halvor det er greit å gå litt nærmere hverandre, mens Ola dytter og dytter på Halvor for å få ham nærmere Odd. Det er denne vedvarende dyttingen fra Ola som lar vannet forandre seg raskere når det har vært varmt.

Hva er rett svar?

Vann er både spesielt og viktig, og har blitt tillagt mange ekstraordinære egenskaper opp gjennom årene, som stort sett har vist seg å være feil. Jeg er skeptisk til forklaringen over, men åpen for at den kan ha noe for seg. Det er ikke sikkert at Mpemba-effekten noen gang vil få sin endelige forklaring, og kanskje kan ikke den samme forklaringen brukes på alle situasjonene der effekten oppstår. Det er helt greit.

Reklamer

19 thoughts on “Fryser varmtvann fortere enn kaldtvann?

  1. Ang artikkelen til Xi Zhang et al: Er det ikke litt pussig med en relaxation time ~10 minutter for å slippe energi ut av et molekyl?

    Videre, har noen gjort et eksperiment hvor man har hindret konveksjon, i.e. med en klump gelatin e.l.?

    • Jo! Det er veldig pussig. Det er derfor jeg er noget skeptisk til hele saken. Jeg har ikke sjekket hvordan de har kommet frem til denne lange tiden, for det er ikke noe jeg vet hvordan man gjør sånn helt uten videre.

      Jeg vet det har vært gjort mange eksperimenter, men har ikke kommet over noen uten konveksjon. The Royal Society of Chemistry holdt i 2012 en konkurranse om den beste forklaringen på Mpemba-effekten, og fikk inn 22 000 svar (!!). De ligger her, så det er jo bare å sette i gang med å lete…. eller tar det kanskje kortere tid å gjøre eksperimentet selv?

  2. Takk for en flott sak å linke til når folk diskuterer dette i sosiale medier 🙂

  3. La meg først si at det er fint at du bringer hverdagen og fysikken sammen. Jeg er selv fysiker, om enn av en noe eldre årgang enn deg, og fysikk dreier seg jo egentlig om å beskrive og forstå den verden vil lever i.

    Men så til det fenomenet du skriver om her, og som jeg aldri hadde hørt om før jeg ble gjort oppmerksom på det i oppslaget i Aftenposten. Riktignok, da jeg nevnte dette for andre, oppdaget jeg at troen på at varmt vann fryser raskere enn kaldt vann også eksisterer i folketroen:

    Et langt forskerliv har lært meg at man skal stille spørsmål også ved vedtatte sannheter, som dette fenomenet later til å være, særlig når fenomenet strider mot vanlig kunnskap. Så derfor ville jeg prøve å reprodusere Mpemba-effekten, først og fremst ved å gjøre samme eksperiment som den afrikanske skolegutten. Riktignok ved å bytte ut iskremingrediensene med rent vann. Så jeg fylte altså varmt vann fra varmtvannskrana og kaldt vann fra kaldtvannskrana i to glass og satte i fryseboksen i kjøleskapet. Da sto riktignok glassene på et underlag som var kaldere enn luften i fryseboksen.
    Resultat: Det dannet seg is i glasset med kaldt vann raskere enn i glasset med varmt vann, og da jeg tok glassene ut var det klart mer is i det som hadde inneholdt kaldt vann i utgangspunktet.

    Da våknet mitt forskerinstinkt for alvor, så nest trinn var å gjenta dette med bruk av dypfryseren, hvor komplikasjonen med det kalde underlaget ikke var til stede. Samtidig fant jeg fram et gammelt, men nøyaktig, laboratorietermometer, og målte temperaturen med noen minutters mellomrom. (Det ideelle hadde selvfølgelig vært å ha en kontinuerlig registrering, men det hadde jeg ikke utstyr til). Temperaturen i begge glassene sank som ventet eksponensielt. Etter 45 minutter hadde glasset med kaldt vann blitt underkjølt til -2 grader, og umiddelbart etter frøs det til en issørpe. Da hadde vannet i det andre glasset fremdeles en temperatur på 14 grader, og nådde null grader og begynte å fryse etter 80 minutter.

    Så gjentok jeg forsøket, med vann som var tappet fra varmtvannskrana og satt ut for å kjøles, og hvor jeg varmet det som skulle være varmt i mikrobølgeovnen. Og jeg gjorde det med kaldt vann som var kokt opp og satt ut for å kjøles. Resultatet var det samme. Vannet i begge glassene frøs ved null grader, og det som var kaldest i utgangspunktet nådde null grader først. Jeg observere riktignok et par tilfelle til av underkjøling, den ene gangen i glasset med kaldt vann, den andre gangen i glasset med varmt vann, hvor vannet først frøs ved – 4 grader.

    Jeg var på hytta mi da jeg gjorde disse forsøkene. Men jeg fortsatte da jeg kom tilbake til Oslo, og her brukte jeg et fryseskap hvor lufta sirkuleres med en vifte, og derved skaper jevnere temperatur. Jeg skaffet meg også destillert vann for å se om det gjorde noen forskjell, og brukte også «glass» både av glass og plast. (En fordel med å bruke plastglass er at da er det lett å finne ut når det danner seg is på veggen i glasset, det er bare å klemme på glasset. Og det ser ut til at det er der det først danner seg is.

    Resultatet var imidlertid det samme: Vannet som i utgangspunkt er kaldt fryser først. Og tidsforskjellen for når de to vannene fryser er lik den tiden det tar for det varme vannet å nå utgangstemperaturen for det kalde.

    Derfor sitter jeg igjen med et stort spørsmål: Eksisterer Mpemba-effekten, eller er det en myte som er blitt til en sannhet? Sånne ting har jo skjedd i fysikken tidligere. Det mest kjente er vel historien om polywater, som var en polymerisert form for vann, og som det ble skrevet flere hundre artikler om, inntil noen klarte å ta et IR-spektrum av denne substansen, og fant alt mulig annet enn vann i den.

    Nå er vel ikke eksistensen av Mpemba-effekten det mest sentrale spørsmålet i fysikken, men det kunne vært interessant om noen tok seg bryet med å repetere eksperimentene.

    • Hei Odd, og tusen takk for et glimrende innspill! Til alle som leser bloggen og dette innlegget: Ingenting jeg skriver (eller andre, for den saks skyld) må oppfattes som fasit! Det aller beste er å stille kritiske spørsmål og teste ut ting selv. Eksperimentene som er beskrevet her er et flott eksempel på hvordan man burde gå frem.

      Når det er sagt, så vil jeg ikke se bort i fra at dette kan være et reelt fenomen i en del tilfeller, selv om du ikke så det i dine eksperimenter. Det er fordi såpass mange har publisert temperaturkurver som viser denne effekten og jeg ikke får meg til å tro at det er en storstilt konspirasjon der forskere publiserer falske data, spesielt ikke i regi av the Royal Society of Chemistry.

      Kom gjerne tilbake med kritiske korrigeringer til andre innlegg 🙂

      • Etter å ha lest vinnerinnlegget i konkurransen til Royal Society of Chemistry er det et par ting som slår meg. Det viktigste er at der var temperaturforskjellen i utgangspunktet liten, mindre enn ti grader, mens jeg hadde en temperaturforskjell på 50-70 grader. Det kan muligens ha betydning. Det gir jo mye mindre forskjell på tiden til frysing. Dessuten ble tydeligvis forsøkene der gjort i serie, og som han selv skriver, var det temperaturvariasjone i fryseboksen. Mine eksperimenter ble gjort i parallell, så der var ikke temperaturvariasjoner i fryseboksen en faktor.
        Men neste gang jeg er på hytta og får tilgang til termometeret som ligger der skal jeg gjenta eksperimentet med mindre temperaturforskjell. Og hvis det, mot formodning, skulle bli kuldgrader, skal jeg gå ut og kaste kokende vann opp i lufta. Men det ser uansett ut til at dette er en subtil effekt som er avhengig av det eksperimentelle oppsettet, så man kan jo lure på hvor mye anstrengelse man skal gjøre for å finne en forklaring.

  4. Ok, skjønner det ikke foreløpig. Men ser en på kurvene til Mpembas artikkel så ser en at hvis en tar punktene og kryssene alvorlig så får en for kurven med «initial temperature» og kurvene for «temperature difference» (47 og 70 grader) en karakteristisk knekk på nedadgående kurver som kan ha relevans. I biologiske kurver får en spredning av resultater og tegner kurven midt i alle avlesningene. I fysikk mener jeg vi ikke i samme grad kan regne med spredning av resultater.

  5. Litt mere tenking får meg til å tro at det er samme effekt som hindrer større vann i å fryse. Dette at vannet ved 4 grader er tyngst og dermed synker. Ved kaldt vann skjer forandringene langsomt og vannet får tid til å «forsvare» seg. Ved varmt vann tenker jeg at
    turbulensen blir så stor at det vannet på 4 grader ikke får lagt seg til ro og dermed «ødelegges» naturens mekansme for å hindre gjennomfrysing av vann. Gradienten mot fryserluften blir da større og det varme vannet kjøles bedre.

    Tilslutt et enda mindre gjennomtenk forslag, corioliseffekten. Må eksperimentet gjøres rundt ekvator?

  6. Enda litt mere tenkning får meg til å foreslå at professoren slipper et par studenter inn på labben og måler skikkelig temperaturforløpene ved kaldt og varmt vann som skal fryses. Denne saken bør ikke avsluttes med håp og tro, vi bør få visshet.

    • Dette har blitt målt mange ganger av forskjellige folk – problemet er at det er så mange variable: Form, størrelse og materiale på vannbeholden, temperatur i fryseboksen, fryseboksens størrelse (kan påvirke sirkulasjonen i lufta) og temperaturstabilitet, vanntemperatur, …..
      Men det kunne vært interessant å bruke det som en studentøvelse til en passende anledning. Skal prøve om jeg blir professor noen gang 😉

      • Unnskyld misforståelsen om tittel. Var litt tidlig ute bare!
        Ellers er jeg stadig ute etter et råd om en bok e.l. om fiktiv kraft. Jeg forvirres stadig av dette begrepet.
        Apropos det; jeg kunne tenke meg å prøve en karusell igjen for å prøve å hoppe av den på en verdig måte.
        Bruke det jeg har lært i barneparken. Jeg tror få knekket det koden med karusel. Vel, hvis jeg har?

  7. Forrige gang jeg kommenterte her lovet jeg at jeg skulle gjøre et nytt forsøk neste gang jeg var på hytta og hadde tilgang til det termometeret jeg har her, og med mindre temperaturforskjell. Det har jeg nå gjort, med en starttemperatur på hhv 89 og 29 grader (det var temperaturene jeg målte umiddelbart etter at jeg hadde satt vannprøvene i fryseren. Det er en fryser av den typen som har åpning på toppen, slik at forstyrrelsen ved å åpne lokket burde være liten. Jeg brukte ca 200 g vann i to helt identiske plastbokser med lokk, og fikk mye mosjon ved å løpe opp og ned kjellertrappa omtrent hvert 5. minutt for å åpne lokket på fryseboksen og måle temperaturen. Jeg skulle gjerne hatt automatisk registrering, men det har jeg ikke her.

    Men resultatet var at det varme vannet nådde null grader og begynte å få is både på topp og i bunnen 45 minutter senere enn det kalde. Og det var nøyaktig den tiden det varme vannet brukte på å kjøles fra 89 grader til 29 grader, som var starttemperaturen for det kalde vannet. I temperaturområdet 29 til null grader var temperaturforløpene for de til vannprøvene helt identiske, men med en tidsforskyvning på 45 minutter. Temperaturkurvene er helt nydelige, og det er synd jeg ikke har mulighet for å legge dem inn her.

    Men konklusjonen må være at det i alle fall er fryktelig vanskelig å få varmt vann til å fryse rasker enn kaldt. Og i stedet for å prøve å finne forklaringer på hvorfor varmt vann fryser raskere enn kaldt, burde man heller forsøke å forklare hvorfor det er så vanskelig å få til dette fenomenet.

    • Takk Odd Busmundrud, jeg skjønner at heller ikke du kan leve med usikkerheten omkring dette spørsmålet.
      Jeg vil foreløpig si at jeg tror det blir liggende en varm «vannklump» i midten av begeret ved lav starttemperatur.
      Dermed blir sirkulasjonsbevegelsene mindre og kjølingen ineffektiv. Ved høyere starttemperatur rives denne balansen
      opp og avkjølingen blir mere effektiv. Videre mener jeg at enhver bevegelse som temperaturmåling ved å stikke termometer nedi
      vannet, eller en kjølekompressor som rister litt vil kunne forstyrre resultatet. Jeg antar at Mpembas fryser var av absorbsjonstypen som ikke hadde bevegelige deler. Et lite tips, hvorfor ikke prøve med kokt melk?
      En må nok måle i vannets flere steder med termistorer hvor ledningen går ut av skapet, og uten at vannet forstyrres.
      Jeg skal prøve å få det til.
      Siste ord er nok ikke sagt i denne sak.

  8. Tilbaketråkk: Bloggen er ett år! | Fysikk og Fascinasjon

  9. Har nettopp prøvd dette og jeg caler bullshit. Det kalde vanne fryser lenge før det varme. Ihvertfall i en fryser. Jeg vet at hvis man kaster varmt vann opp i lufta i -50 så blir det snø. Når det kommer til å koke opp varmt kontra kaldt vann, så slo det varme vannet det kalde med 2 min

    • Jeg gjorde, som jeg har beskrevet tidligere her, også flere forsøk. Og jeg kom til samme resultat. Tidsforskjellen mellom når det forskjellige vannet frøs var nøyaktig lik den tiden det varme vannet brukte på å nå start-temperaturen for det kalde. Fra den temperaturen og ned til vannet frøs var temperaturforløpet nøyaktig det samme. Den eneste forskjellen var at noen ganger ble det observert underkjøling i det ene, men ikke i det andre. Men det skjedde noen ganger med det vannet som var varmt i utgangspunktet, og noen ganger med det vannet som var kaldt, så det var ingen systematikk.

      Med andre ord: Mine forsøk ga nøyaktig det resultatet jeg forventet

      Det store mysteriet her er ikke at varmt vann fryser raskere enn kaldt, men hvordan det har seg at denne myten er så seiglivet.

  10. Jeg tror Odd Busmundrud har rett! Det sier seg nesten selv. Må være en som har fått har overbevist noen og flere har bare trodd det uten å prøve seg frem. 😉 Godt jobba Odd 🙂 jeg har ingen utdanning innen fysikk men jeg forstår jo at det kalde vannet fryser først 🙂

Legg igjen en kommentar

Fyll inn i feltene under, eller klikk på et ikon for å logge inn:

WordPress.com-logo

Du kommenterer med bruk av din WordPress.com konto. Logg ut / Endre )

Twitter-bilde

Du kommenterer med bruk av din Twitter konto. Logg ut / Endre )

Facebookbilde

Du kommenterer med bruk av din Facebook konto. Logg ut / Endre )

Google+-bilde

Du kommenterer med bruk av din Google+ konto. Logg ut / Endre )

Kobler til %s