ムペンバ効果
ムペンバ効果(ムペンバこうか、英: Mpemba effect)は、特定の状況下では高温の水の方が低温の水よりも短時間で凍ることがあるという物理学上の主張である。必ず短時間で凍るわけではないとされている。
1963年に、タンザニアの中学生エラスト・B・ムペンバ(英語版) (Erasto B. Mpemba) が発見したとされるが、古くはアリストテレスやフランシス・ベーコン、ルネ・デカルトなど近世の科学者が既に発見していた可能性がある。
科学雑誌「ニュー・サイエンティスト」はこの現象を確認したい場合、効果が最大化されるよう摂氏35度の水と摂氏5度の水で実験を行うことを推奨している。
2020年8月5日刊行の科学雑誌「ネイチャー」にて発表されたサイモンフレーザー大学の物理学者、アビナッシュ・クマールとジョン・ベックホーファーの研究により、ムペンバ効果の条件の一部が解明された。
高温の水は、不安定な垂直温度分布を形成し、ある程度対流が持続すると考えられ(「対流」参照)、物理運動の揺動で氷晶を発生しやすい。仮に、極端な温度ムラとしてバルクの過冷却が発生すると、その中で氷晶が部分凍結へと成長するというシナリオが考えられる。 仮説の背景上記のマクロな現象としての解釈の他、潜在的に、よりミクロな問題「水素結合でつながった水分子の構造」 が関与している可能性もある。(→ 先端科学の観点) 不純物の影響 - 不均一核生成 水中に氷晶の核となる不純物が多いと凍結が促進されるため、過冷却はあまり重要でなくなる。ただし高温の水の加熱で不純物が析出すると(水中の不純物の減少により)、上記仮説が成立する (→次項参照)。
不純物の影響 - 凝固点降下、不均一核生成 溶質 - 炭酸カルシウム、炭酸マグネシウムその他によるもの。純水ではなく硬水を使った場合、煮沸により煮沸容器表面に無機塩が析出して軟水となる。低温の水は煮沸しないと硬水のままなので、全体凍結過程で 無機塩の濃縮が生じ、凝固点降下により凍りにくくなる。 溶存気体 - 高温の水は低温の水と比較して、溶存気体の溶解度が低いので溶存濃度も低い。ただし加温時の溶解度低下で微小な気泡を生じ、これが氷点下まで維持されると、界面積の増加に寄与して凍結しやすくなる。