歴史
お湯のほうが早く凍るという観察は、アリストテレス、フランシス・ベーコン、デカルトの著作にも見られます（Jeng, 2006）。現代に再び注目されたのは、タンザニアの中等学校の生徒エラスト・ムペンバによってです。1963年、彼は冷まさずに冷凍庫に入れたアイスクリームの材料のほうが早く凍ることに気づき、1969年に大学講師のD・G・オズボーンとともに論文「Cool?」を『Physics Education』に発表しました。
提案された原因
- 蒸発：お湯は蒸発によって質量を失い、蒸発の潜熱によって熱を失います。
- 対流：お湯の中の強い対流が表面を温かく保つため、上面からより速く熱が失われる可能性があります。ムペンバとオズボーンはこれを暫定的な説明として示しました。
- 溶存気体：加熱または沸騰させた水は溶けている気体が少なく、凍り方が変わる可能性があります。
- 過冷却：水は0°C以下の過冷却状態を経由し、過冷却の程度が初期温度に依存して凍結の開始時点が変わる可能性があります。
- 環境要因：熱い容器が冷凍庫の床の霜を溶かして熱的接触が良くなるなど、実験条件の違い。
熱の移動のしかたについては伝熱で扱っています。
再現性の論争
Jeng（2006）は、この効果はいくつかの実験で観察されているものの、結果は条件や「凍る」の定義（凍結の開始、完全な凍結など）によって大きく異なると結論づけました。Burridge と Linden（2016）は、統制された実験と先行研究の検討を通じて、初めに熱い水のほうが早く0°Cに達するという意味のある証拠は見つからなかったと報告しました。そのためムペンバ効果は、科学における正確な仮説、測定条件、追試の重要性を示す事例としてよく用いられます。
最近の研究
水以外の系については、非平衡統計力学の研究で、平衡から遠い状態から出発した系のほうが速く緩和するというムペンバ的な効果が提案され、コロイド粒子を用いた実験などで観察されています。これは熱力学の法則に反するものではなく、緩和の経路が初期状態に依存することを意味します。
参考文献
- Mpemba, E. B., & Osborne, D. G. (1969). Cool? Physics Education, 4(3), 172-175.
- Jeng, M. (2006). The Mpemba effect: When can hot water freeze faster than cold? American Journal of Physics, 74(6), 514-522.
- Burridge, H. C., & Linden, P. F. (2016). Questioning the Mpemba effect: Hot water does not cool more quickly than cold. Scientific Reports, 6, 37665.