Svar:
Det är klart att den kallare i de flesta fall fryser först. Effekten är emellertid relativt väletablerad men utan någon enskild enkel förklaring, se Mpemba_effect.

Nedanstående länkar diskuterar några möjliga förklaringar till effekten.

Eftersom det avsvalnande varma vattnet vid någon tidpunkt måste vara av samma temperatur som det kalla vattnet så är det svårt att se att det från början varma vattnet skulle frysa snabbare: två vattenmassor med samma temperatur bör rimligen uppföra sig likadant. Det måste i så fall vara någon skillnad på vattenmassorna, t.ex. gasinnehåll.

En av förklaringarna går ut på att det varma vattnet fryser delvis snabbare (mindre underkylning, se fråga [16785]) och därför uppfattas som fruset när det i själva verket bara är delvis kylt. Problemet kvarstår dock: vad är det för skillnad mellan det kalla vattnet från början och det varma vattnet när temperaturen passerar begynnelsetemperaturen av det kalla vattnet.

Men det hjälper inte att spekulera ... man borde göra ett försök att påvisa effekten! Jag gjorde ett enkelt försök med istärningsbehållarna. Det var ingen märkbar skillnad på behållaren med kallt vatten och behållaren med hett vatten. Om något så frös den varma vattnet långsammare!

Se även frågorna [18157], [3551] och [16785].

Påpekas bör dock att effekten inte är absolut bevisad, se Mpemba_effectRecent_views.

Ett antal möjliga förklaringar listas i Mpemba_effectSuggested_explanations. Jag tror, om effekten finns, att förklaringen är att det från början kalla vattnet har en större tendens till underkylning.

Försök med temperaturmätning

I länk 2 beskrivs ett experiment där man mätt temperaturen som funktion av tiden, se nedanstående figur. Experimentet är emellertid mycket bristfälligt dokumenterat (t.ex. Var placerades temperatursensorerna? Vad var omgivningens temeratur?).

I början ser plotten rimlig ut. Den röda kurvan (varmare vatten) är brantare än den blå. Detta är rimligt eftersom värmetransporten till omgivningen är proportionell mot temperaturskillnaden.

Från 10 grader är kurvorna i stort sett parallella, vilket är rimligt. Kurvorna planar emellertid ut vid +3 grader och inte som man väntar sig vid vattnets fryspunkt 0 grader. Detta är antingen ett kalibreringsfel eller så sitter temperatursensorerna på fel plats.

Om man verkligen kan tro på mätningen så är det uppenbart att förklaringen är att tiden för frysning är kortare för det från början varma vattnet. På något sätt måste värmetransporten för det varma vattnet vara effektivare än för det kalla vattnet. Vi har fullständig isbildning (kurvan böjer nedåt och isen kyls till under 0 grader) vid 2.5 timmar för det varma vattnet och 4.2 timmar för det kalla vattnet.

Detta är ju en mycket tydlig effekt om man kan lita på mätningen. Varför 0-gradigt vatten som varit varmt fryser snabbare ges emellertid ingen förklaring för.

Se emellertid länkarna

https://www.sciencenews.org/article/debate-heats-over-claims-hot-water-sometimes-freezes-faster-cold

https://medium.com/the-physics-arxiv-blog/why-hot-water-freezes-faster-than-cold-physicists-solve-the-mpemba-effect-d8a2f611e853

där förklaringen föreslås vara att fler vätebindningar bildas vid den högre temperaturen. Hur detta påverkar kylhastigheten är emellertid inte uppenbart.

/KS/lpe 2001-03-21

Svar:
Maria! Jag skall försöka.

Värme kan transporteras med strömning (konvektion, rörelser i gaser och vätskor som orsakas av att densiteten, dvs. tyngden, varierar mellan gasens eller vätskans olika delar), ledning och strålning. Låt oss titta på vad detta innebär. Vi behöver (teoretiskt) en kastrull, en värmeplatta och lite vatten.

Strömning

När vi kokar en kastrull vatten blir vattnet i botten av kastrullen först uppvärmt eftersom det är närmast värmekällan (kokplattan). Varmt vatten har lägre densitet än kallt, så på grund av tyngdkraften stiger det varma vattnet. Denna "konvektion" blandar vattnet så att även vattnet på ytan blir varmt.

Ledning

Nu häller vi bort vattnet. (Det börjar bli farligt nu, så låt oss bara göra tankeexperimentet!). Kastrullen kommer ganska snabbt att bli mycket varm eftersom den leder värme. Eftersom värme är graden av rörelse hos atomerna, är det inte så svårt att föreställa sig att atomerna från varma delar av kastrullen "knuffar" på atomer i svalare delar, och sätter fart på dem. Detta är emellertid inte särskilt effektivt, utan det är i första hand de fria elektronerna i en metall som svarar för värmeöverföringen. Det är orsaken till att metaller leder värme (och elektricitet) bra, medan t.ex. keramik är en dålig ledare både för värme och elektricitet eftersom det inte har några fria (obundna) elektroner. Se även fråga [3874].

Strålning

Om vi fortsätter att värma den tomma kastrullen (nu blir det riktigt farligt!), så kommer den till slut börja glöda. Den har då blivit så varm att den börjar skicka ut synlig s.k. temperaturstrålning (elektromagnetisk strålning). Om kroppen är tillräckligt varm är denna strålning i det synliga området (vi kallar strålningen för ljus), medan om temperaturen är lite lägre kallas den värmestrålning. Värmestrålningen kan man uppfatta med handen. Alla kroppar med en temperatur över den absoluta nollpunkten sänder ut någon typ av temperaturstrålning. Se vidare fråga [12564].

Läs gärna om värme i Nationalencyklopedin.
/Peter E 2004-10-05

Svar:
Alen! Först måste vi räkna ut hur mycket energi det krävs. Säg att vi utgår från 1 liter (=1 kg) 10-gradigt vatten.

Den specifika värmekapaciteten (den energi som fordras för att höja temperaturen hos 1 kg en grad) för vatten är 4,18 kJ/kg.K. Det kostar alltså 904180 = 376200 J att värma vår liter från 10 till 100 grader.

Ångbildningsvärmen (den energi som fordras för att bilda ånga av 1 kg 100-gradigt vatten) för vatten är 2260 kJ/kg.

Totala energiåtgången är då 376200+2260000 = 2636200 J. Om plattan har en effekt på 1000 W tar det

2636200 Ws/1000 W = 2636 s = 44 minuter

Att bara koka upp vattnet (vilket är det man normalt vill göra) tar

376200/1000 = 376 s = 6.3 minuter.
/Peter E 2007-01-14

Svar:
Hej Maria! Låt oss resonera systematiskt! Vad menas med att du bränner dig på gommen? Jo det är att gommen blir så varm (hög temperatur) att de värmekänsliga cellerna signalerar hög temperatur eller i värsta fall att man får en liten (övergående) skada. Det väsentliga är alltså att höja gommens temperatur.

För att höja gommens temperatur krävs dels att pizzan har tillräcklig specifik värmekapacitivitet och dels att värmeledningsförmågan är tillräcklig (och naturligtvis att den är tillräckligt varm). Så svaret är alltså: både och! Om värmeledningsförmågan är dålig, är det bara ett tunnt skikt som bidrar: liten temperaturhöjning eftersom temperatursänkningen hos pizzan är stor. Om specifika värmekapacitiviteten är liten, får man igen en stor sänkning av pizzans temperatur.

Metaller har mycket hög värmeledningsförmåga (eftersom det finns fria elektroner) och rimligt hög specifik värmekapacitivitet (värmemängd per kg och K). Man bränner sig alltså mycket på metaller. Du bränner dig på spiken i bastun men inte på trätrallorna. Du bränner dig inte heller på en het aluminiumfolie, eftersom massan är så liten och därmed värmekapaciteten.

Vatten har mycket hög specifik värmekapacitivitet och hygglig värmeledningsförmåga. Torra bitar som brödet har emellertid låg värmekapacitivitet och dålig värmeledningsförmåga eftersom brödet innehåller en massa luftbubblor som leder värme dåligt. Det är alltså på fyllningen (som innehåller mycket vatten) och inte på brödet du bränner dig.

/fa

/Peter E 2009-09-17

Svar:
Vesna! Jag visste inte det fanns något som heter infraröd bastu! Det första jag gjorde var att googla det varvid det kom upp massor av annonser. Efter att ha etablerat att fenomentet existerar konsulterade jag Wikipedia (Infrared_sauna). Där finns en, såvitt jag kan förstå, kort men vederhäftig artikel - även om den signaleras som bristfälligt dokumenterad. Bilden nedan kommer från Wikimedia Commons.

Eftersom jag inte är läkare vill jag inte gå in på om värmen från ett element i en infraröd bastu kan vara skadlig. Den infrarötda strålningen värmer uppenbarligen upp hudskiktet och genom ledning även en bit in i kroppen. Om detta är bra eller dåligt kan jag alltså inte uttala mig om.

Möjligen kan jag se en liten risk i att ha ett elektriskt värmeelement öppet i den fuktiga bastun. En mer traditionell uppvärmning kan placeras mer utom räckhåll från bastun.

Det mesta i Wikipedia-artikeln ovan handlar om påstådd nytta med den infraröda bastun. Undersökningen som hävdar att bastun är bra mot reumatisk värk, styvhet mm är alldeles för bristfällig för att dra någon slutsats.

Stycket om att man man kan göra av med kalorier och därmed bli slankare är obetalbart. Där står att man i bastun svettas kanske 1/2 liter vatten och därmed tappar 1/2 kg i vikt. Varje brottare vet detta! Problemet är att man snart blir törstig och dricker 1/2 liter vatten och är tillbaka där man började!

Det är nu det blir riktigt roligt! För att förånga 1/2 kg vatten krävs 0.52260=1130 kJ ([14203]). Eftersom 1 kilokalori är 4.2 kJ ([14108]) blir detta nästan 300 kilokalorier. Detta motsvarar c:a 1/2 mils löpning. Motion genom att bara sitta stilla! Det är naturligtvis för bra för att vara sant! Energin för att förånga vattnet tas inte från fettreserven utan från värmen i bastun.

Anmärkning 21/4/16:

Här ser man styrkan i Wikipedia. Någon har observerat felet ovan och lagt till:

"However, this conclusion drew significant criticism, as it would imply that individuals living in warm climates, where liters of sweat are generated per day, would require hundreds or thousands of additional kilocalories to survive, which is known not be the case."

/Peter E 2010-04-27

Svar:
Den undre pizzan är varmast. Anledningen är att bröd-delen av pizzan har dålig värmeledningsförmåga. Brödet verkar alltså som värmeisolation. Den nedre pizzan har ett lager bröd både nedåt och uppåt, medan fyllningen på den övre pizzan är fritt exponerad för omgivningen.

En del av avkylningseffekten är att vatten förångas från den varma pizzan. Eftersom detta kräver ångbildningsvärme kyls pizzan med samma effekt som gör att du fryser när du går ut ur duschen. Brödsidan innehåller mycket lite vatten medan fyllningssidan innehåller vatten. Det kan alltså hjälpa lite att täcka den övre pizzan med något vattentätt, t.ex. aluminiumfolie.

Den optimala transportmetoden är att lägga pizzorna med fyllningen mot varandra. Båda pizzorna omges då av ett värmeisolerande och torrt skikt. Nackdelen är att det blir kladdigt att separera pizzorna. Om man har pizzor med olika fyllning kan man emellertid få nya intressanta smakupplevelser. Och, framför allt, båda pizzorna är varma!

Se även fråga [16374].

/Peter E 2012-02-23

Svar:
Mpemba-effekten har diskuterats här tidigare, se fråga [7830]. Det finns en hel del data som tyder på att effekten är verklig, men det finns ingen bra förklaring till effekten.

Dina resultat (figuren nedan) ser övertygande ut. Jag hade dock föredragit om du ritat in datapunkterna i stället för linjerna som jag antar är något sorts "bästa anpassning". Man hade då kunna bedöma tillförlitligheten från spridningen i datapunkterna.

Du bör även förklara varför du bortser från nästan hälften av mätvärdena.

Ett annat problem är att du, såvitt jag förstår, inte mätt tills provet börjar frysa utan till det når den normala fryspunkten 0^oC. Detta är inte den urspungliga Mpemba-effekten. Det du mäter är avkylning av vatten, inte vatten som övergår i is.

Det betyder också att flera av de traditionella förklaringarna (som har att göra med frysningsprocessen) faller bort, framför allt underkylning).

Se även Mpemba_effectSuggested_explanations för möjliga förklaringar.

Här är en utmärkt, aktuell sammanfattning av Mpemba-effekten:





___________________________

) Underkylning innebär att en vätskas temperatur sänks under dess smältpunkt utan att den övergår i fast form. Exempelvis kan rent vatten (regndroppar och molndroppar) vara underkylt. När den underkylda vätskan träffar fast material, exempelvis marken, kan den snabbt kristalliseras och ge upphov till nedisning. (Underkylning)

/Peter E 2018-01-17

Svar:
Enligt Fouriers lag är värmeflödet J (mängden värmeenergi som passerar på en tidsenhet) genom en stav eller en plåt proportionellt mot tvärsnittsarean S och mot temperaturskillnaden mellan den kalla och den varma sidan &916;T och omvänt proportionellt mot stavens längd (eller plåtens tjocklek) &916;x:

J = k S&916;T/&916;x

I denna formel är k värmeledningsförmågan. Den mäts i SI-enheten Wm^-1K^-1 (watt per meter och kelvin). (Värmeledningsförmåga)

Du har kvar två obekanta i din formel, k och J. För att bestämma värmeledningsförmågan k måste du alltså även känna J. Det kan du t.ex. göra genom att låta den icke uppvärmda ändan värma vatten. Metoden kallas Searles stav-metod, se nedanstående bild från länk 1 och Searle's_bar_method.

Att mäta värmeledningsförmåga är inte helt lätt eftersom värme tenderar att ta andra vägar än man avsett.

En alternativ metod är att seriekoppla staven med en stav av en metall för vilken man känner till värmeledningsförmågan. Man kan då eliminera J och få fram en relativmätning av k för den okända metallen.

Observera att du i båda ovanstående mätningar måste vänta till du når ett "steady state" tillstånd så att det transporterade värmeflödet (J/t) är lika i hela staven.

Se även Thermal_conductivity_measurement.

/Peter E 2018-01-26