Written Nov 4, 1998 by Monwhea Jeng (Momo)
Department of Physics, University of California, 93106
Traduction lgmdmdlsr oct 2000
L'eau chaude peut en fait geler plus vite que l'eau froide dans un très grand nombre de situations expérimentales. Ce phénomène choque vraiment notre intuition, et surprend même les meilleurs scientifiques, mais existe vraiment. Il a été observé et étudié dans de nombreuses expériences. Bien que ce phénomène ait été connu depuis de siècles, et décrit par Aristote, Bacon et Descartes [1-3], il n'a été indroduit dans la communauté scientifique qu'en 1969, par un étudiant tanzanien nommé Mpemba. L'histoire ancienne de cet effet, comme l'histoire de sa redécouverte par Mpemba, sont toutes deux aussi intéressantes l'une que l'autre -- en particulier l'histoire de Mpemba montre une parabole dramatique contre le fait d'émettre des jugements hâtifs sur ce qui est impossible. Ceci est décrit à part ci-dessous.
Le phénomène selon lequel l'eau chaude gèle plus vite que l'eau froide est souvent appelé l'effet Mpemba. Parce-que, sans aucun doute, la plupart des lecteurs sont extrêmement sceptiques, nous devrions commencer par définir précisémént ce que nous entendons par "effet Mpemba". Nous commençons avec deux récipients contenant de l'eau, lesquels sont de forme identique, et qui contiennent chacun la même quantité d'eau. La seule différence entre les deux est que l'un des deux contient une eau de température plus élevée que l'autre. Maintenant nous refroidissons les deux récipients, en utilisant exactement le même processus de refroidissement pour chacun d'eux. Sous certaines conditions l'eau qui était initialement la plus chaude gèle en premier. Si ceci se produit, nous avons mis en évidence l'effet Mpemba. Bien sûr, l'eau initialement la plus chaude ne va pas geler avant l'eau qui était la plus froide dans tous les cas. Si l'eau chaude est au départ à 99°C et l'eau froide à 0,01°C, il est clair que dans ce cas c'est l'eau au départ la plus froide qui va geler en premier. Cependant, dans certines circonstances l'eau initialement la plus chaude va geler en premier -- si cela arrive, nous avons observé l'effet Mpemba. Mais l'effet Mpemba ne peut être observé dans n'importe quelles conditions de température initiale, de forme du récipient, et de procédé de refroidissement.
Ceci semble impossible, non? Beaucoup de lecteurs contestataires pourraient utiliser un argument courant comme quoi l'effet Mpemba est impossible. Voici comment on exprime d'habitude cet argument. Disons que l'eau initialement la plus froide soit à 30°C, et que la geler prend 10 minutes, alors que l'eau initialement la plus chaude a une tempréature initiale de 70°C. Et bien l'eau initialement plus chaude devra effectuer tout ce que fait l'eau initialement plus froide, et un peu plus, et cela va prendre un temps plus long, non? Qu'est-ce qui ne va pas dans cet argument?
Ce qui est incorrect dans cet argument est qu'il admet implicitement que l'eau est caractérisée uniquement par un seul nombre -- la température moyenne. Mais si d'autres facteurs, outre la température moyenne, sont importants, alors quand l'eau initialement la plus chaude a été refroidie jusqu'à une température moyenne de 30°C, elle pourrait être très différente de ce qu'était l'eau la plus froide à départ de l'expérience (à une température uniforme de 30°C). Pourquoi? Parce que l'eau, après avoir été refroidie d'une température uniforme de 70°C à une température moyenne de 30°C, pourrait avoir été modifiée. Elle pourrait avoir perdu de la masse, des gaz dissouts, ou bien pourrait contenir des courants de convection engendrant une distribution non uniforme de la température. Ou bien elle pourrait avoir modifié l'environnement autour du récipient dans le réfrigérateur. Chacun de ces quatre facteurs a une certaine importance, et chaucn d'eux va être considéré séparément ci-dessous. Alors l'argument "impossible!" décrit plus haut n'est pas recevable. Et en fait l'effet Mpemba a été observé lors d'un certain nombre d'expériences contrôlées [5,7-14]
Aujourd'hui encore on ne sait pas exactement pourquoi cela se passe ainsi. Un certain nombre d'explications de cet effet ont été proposées, mais aucune des expériences réalisées ne montre clairement lequel des phénomènes proposés (si jamais il s'agit de l'un d'eux) est le plus important. Bien qu'on peut entendre souvent des affirmations assurées comme quoi X est la cause de l'effet Mpemba, de telles affirmations sont souvent basées sur des conjectures, ou en ne considérants que quelques articles seulement, qui contiennent des résultats concluants, en négligeant les autres. Bien sûr il n'y a rien de mal à formuler une hypothèse théorique (du moment où on le précise), ou à être sélectif dans les résultats expérimentaux auxquels on se fie -- le problème est que des personnes diverses émettenr des avis divergents sur la nature de X.
Pourquoi la science d'aujourd'hui n'a-t-elle pas résolu cette question apparemment simple du refroidissement de l'eau? Le grand problème est que le temps mis par l'eau pour geler est très dépendant de nombreux facteurs dans le protocole expérimental, comme la forme et la taille du récipient, la forme et la taille du dispositif de refroidissement, les gaz dissouts et les impuretés de l'eau, comment le temps mis pour geler est défini, et ainsi de suite. Ceci entraine que bien que les expériences menées aient en général confirmé l'existence de l'effet Mpemba , ces mêmes expériences se contredisent au sujet des conditions sous lesquelles cet effet apparait, et donc au sujet de la cause de cet effet. Comme l'écrivait Firth [7]: "Il y a une quantité de paramètres pouvant varier dans ce problème, d'où n'importe quel laboratoire entreprenant de telles expériences peut être sûr d'obtenir des résultats différents des autres."
Donc avec un nombre d'expériences effectuées limité, souvent effectuées dans des conditions fort diverses, aucun des mécanismes proposés ne peut être de façon certaine proclamé "LE" mécanisme responsable de l'effet Mpemba. Ci-dessus on a décrit quatre mécanismes selon lesquels l'eau initialement la plus chaude pourrait avoir évolué de telle sorte qu'elle soit différente de l'eau initialement la plus froide une fois parvenue à la température initiale de cette dernière. Ce qui suit ci-dessous est une brève description desdits quatre mécanismes qui ont été évoqués pour expliquer l'effet Mpemba. Des lecteurs plus exigeants peuvent suivre les liens vers des descriptions plus complètes de ces mécanismes, et aussi bien que des descriptions d'arguements ou d'expériences que ne peuvent expliquer les mécanismes cités. Il semble bien qu'il n'y a pas UN mécanisme qui puisse expliquer l'effet Mpemba dans toutes les situations expérimentales, mais l'importance des mécanisme diffère selon les conditions.
Pour finir, la surfusion pourrait avoir son importance dans l'effet Mpemba. La surfusion apparait quand l'eau ne gèle pas à 0°C, mais à une température plus basse. Une expérience [12] a montré que l'eau initialement la plus chaude subirait moins le phénomène de surfusion qu'une eau plus foride au départ. Ce qui voudrait dire que l'eau initialement la plus chaude gèlreait en premier parce-qu'elle gèlerait à une température plus élevée que l'eau initialement la plus froide. Si cela est vrai, ça n'expliquerait pas entièremrent l'effet Mpemba, parce-quon aurait toujours à expliquer pourquoi l'l'eau initialement la plus chaude subit moins le phénomène de surfusion...
En bref, l'eau chaude gèle plus vite que l'eau froide dans un grand nombre de situations. Cela n'est pas impossible et a été observé dans un certain nombre d'expériences. Toutefois, malgré des affirmations émises souvent par une source ou une autre, il n'y a pas d'explication communément admise sur l'apparition de ce phénomène. Différents mécanismes ont été proposés, mais les rélsutats expériementaux ne permettent pas de conclure. Pour ceux qui voudraient en lire plus sur le sujet, l'article de Jearl Walker, paru dans "Scientific American" [13] est très lisible et comporte des suggestions d'expériences sur l'effet Mpemba, alors que les articles de Auerbach [12] et Wojciechowski [14] sont deux articles parmi les plus recents sur l'effet Mpemba.
Le fait que l'eau chaude gèle plus vite que l'eau froide est connu depuis des siècles. La première référence à ce phénomène remonte à Aristote en -300. Ce phénomène a ensuite été abordé au moyen-âge, alors que les savants européens se débattaient pour trouver une théorie de la chaleur. Mais au 20è siècle le phénomène était connu uniquement comme un folklore, jusqu'à ce qu'il soit "rescientifisé" en 1969 par Mpemba, un étudiant tanzanien. Depuis, de nombreuses expériences ont confirmé l'existence de l'"effet Mpemba" mais n'ont pas conduit à une explication unique de cet effet.
La première référence connue à cet effet est due à Aristote, qui a écrit :
"Le fait que l'eau a été auparavent chauffée contribue à la geler plus rapidement; pour cela elle doit refroidir plus tôt. En conséquence de nombreuses personnes, quand ils veulent refroidir rapidement de l'eau chaude, commencent par la mettre au soleil ..." [1,4]
Il écrivit ces mots pour corroborer une idée fausse qu'il appelait antipéristase [antiperistasis]. L'antipéristase est définie comme "l'augmentation supposée de de l'intensité d'une qualité si elle est entourée de la qualité contraire, ici, le chauffage d'un corps tiède qui est entouré de froid" [4].
Les savants du moyen-âge croyaient en la théorie de l'antipéristase, et cherchèrent à l'expliquer. Mais, et cela n'est pas surprenant, les savants du XVè siècle avaient des problèmes pour expliquer comment ceci fonctionnait, et ne pouvaient même pas savoir si, comme Aristote l'affirmait pour défendre l'antipéristase, les corps huamins et les corps composés d'eau étaient plus chauds l'hiver que l'été [4]. Aux alentours de 1461, le physicien Giovanni Marliani, dans une discussion sur la façon dont les objets refroidissaient, dit avoir confirmé que l'eau chaude gelait plus vite que l'eau froide. Il dit avoir utilisé quatre onces d'eau bouillante et quatre onces d'eau à température ambiante, qu'il plaça dans des récipients identiques situés au dehors lors d'un froid jour d'hiver, et il observa alors que l'eau bouillie gela d'abord. Marliani était cependant incapable d'expliquer cet événement [4].
Plus tard, au XVIIè siècle, que l'eau chaude pouvait geler avant l'eau froide était apparemment un fait connu. En 1620 Bacon écrivait: "L'eau légèrement chaude est plus facilement gelée qu'une eau tout-à-fait froide" [2], alors que Descartes un peu plus tard affirmait: "L'expérience montre qu'une eau laissée longtemps sur le feu gèle avant une autre eau" [3].
Les temps passèrent, et une théorie moderne de la chaleur fut développée, et les obvservations anciennes d'Aristote, Marliani et autres furent oubliées, peut-être parce-qu'elles semblaient si contradictoires avec les concepts modernes de chaleur. Toutefois, elles restaient connues sous forme de folklore au Canada [11], en Angleterre England [15-21], dans l'industrie alimentaire [23], et ailleurs.
Cet effet ne fut réintroduit dans la communauté scientifique qu'en 1969, 500 ans après l'expérience de Marliani, et plus de deux mille ans après les "Meteorologica" d'Aristote [1]. L'histoire de sa redécouverte par un étudaint tanzanien nommé Mpemba a été publiée dans le New Scientist [4]. Cette histoire montre une parabole dramatique avertissant les savants et professeurs de ne pas dénigrer les observations de non-scientifiques, ainsi que de ne pas émettre des jugements hâtifs sur ce qui est impossible.
En 1963 Mpemba était en train de faire une crême glacée à l'école, qu'il faisait en mélangeant du lait bouillant avec du sucre. Normalement il aurait dû attendre que le lait refroidisse avant de le placer au réfrigérateur mais, dans une course effreinée pour s'assurer le rare espace encore disponible dans le réfrigérateur, il y plaça son lait sans l'avoir refroidi. A sa grande surprise, il découvrit que son lait chaud s'était transformé en crême glacée avant ceux des autres étudiants. Il demanda à son professeur de physique des explications, qui lui répondit qu'il avait dû se tromper, vu que cette observation était impossible.
Sur le moment Mpemba crut son professeur. Mais plus tard dans l'année il rencontra un de ses amis, lequel fabriquait et vendait des crêmes glacées dans la ville de Tanga. Cet ami dit à Mpemba que quand il fabriquait de la crême glacée, il plaçait les liquides chauds dans le réfrigérateur pour les congeler plus rapidement. Mpemba découvrit que les autres vendeurs de crême glacée de Tanga utilisent la même technique.
Plus tard, à l'université, Mpemba apprit la loi de refroidissement de Newton, laquelle décrit comment les corps chauds sont supposés refroidir (moyennant quelques hypothèses simplificatrices). Mpemba demanda à son professeur pourquoi le lait chaud gèle avant le lait froid quand on les place dans le freezer. Le professeur répondit que Mpemba devait s'être trompé. Quand Mpemba continua à discuter, le professeur dit: "Tout ce que je peux dire, c'est que c'est la physique de Mpemba et non la physique universelle" et, à partir de là, le professeur et la classe allaient critiquer les erreurs de Mpemba et mathématiques et en physique en disant: "Ce sont les mathématiques de Mpemba" ou "C'est la physique de Mpemba". Mais quand Mpemba essaya plus tard l'expérience dans le laboratoire de biologie de son école, il retrouva à nouveau le fait que l'eau chaude gèle en premier.
Auparavent, le docteur Osborne, un professeur de physique, avait visité l'école de Mpemba. Ce dernier lui avait demandé d'expliquer pourquoi l'eau chaude gèle avant l'eau froide. Le docteur Osborne lui avait répondu qu'il n'avait sur le moment aucune explication en tête, mais qu'il essaierait de faire l'expérience plus tard. Quand il rentra à son laboratoire, il demanda à un jeune technicien de tester les propos de Mpemba. Le technicien rapporta plus tard que l'eau chaude gelait la première, et dit: "Mais nous continuerons de répéter l'expérience jusqu'à ce qu'on obtienne le bon résultat." Toutefois des tests répétés donnèrent le même résultat, et, en 1969, Mpemba et Osborne publièrent leurs résultats. [5].
La même année, par une des coïncidences qui arrivent si souvent en sciences, le docteur Kell écrivit indépendamment de Mpemba et Osborne un article sur le fait que l'eau chaude gèle avant l'eau froide. Kell montra que si on faisait l'hypothèse que l'eau se refroidissait essentiellement par évaporation, est si elle était maintenue à une température uniforme [NdT: et non "constante"], l'eau chaude pourrait perdre suffisamment de masse pour geler en premier [11]. De ce fait Kell avança que le phénomène (alors une légende populaire du Canada) était réel et pouvait être expliqué par l'évaporation. Cependant, il ne connaissait pas les expériences d'Osborne, qui avait mesuré la masse perdue par évaporation et trouvé qu'elle était trop petite pour expliquer l'effet. Des expériences subséquentes furent effectuées avec de l'eau enfermée dans une récipient fermé, ce qui éliminait les effets de l'évaporation, et on trouvait toujours que l'eau chaude gelait en premier [14].
La suite du débat sur l'effet fut peu concluante. Bien que toutes les expériences ont reproduit l'effet Mpemba, [4,6-13], on n'a pas abouti à une explication communément admise de cet effet. Les différents mécanismes possibles sont décrits ci-dessus. Cet effet est régulièrement un sujet de débats houleux dans le "New Scientist," un magazine de vulgarisation scientifique. Les lettres des lecteurs ont révélé que l'effet Mpemba était connu de gens non scientifiques de par le monde longtemps avant 1969. Ajourd'hui encore on ne dispose pas d'une explication admise par tous de l'effet Mpemba.
Une des explications de cet effet est que l'eau chaude perd de la masse par évaporation pendant qu'elle se refroidit. Avec une masse moindre, le liquide a besoin de perdre moins d'énergie thermique pour être refroidie, et donc se refroidit plus vite. Avec cette explication, l'eau chaude gèle plus vite, mais seulement parce qu'il y en a moins à geler. Les calculs effectués par Kell en 1969 [11] ont montré que si l'eau se refroidissait uniquement par évaporation, et que sa température restait tout le temps uniforme, l'eau plus chaude gelerait avant une eau plus froide.
Cette explication est solide, intuitive, et sans aucun doute contribue à l'effet Mpemba dans de nombreuses situations. Toutefois, de nombreuses personnes en ont déduit que c'est LA explication de l'effet Mpemba, ce qui est incorrect. Le fait est qu'ils considèrent que si l'eau chaude peut geler plus vite que l'eau froide c'est uniquement par évaporation, et que tous les résusltats expérimentaux peuvent être expliqués par les calculs développés dans l'article de Kell. Toutefois à l'heure actuelle les expéreinces ne justifient pas cette conviction. Bien que les expériences montrent que l'évaporation est importante [13], elles ne montrent pas que c'est le seul mécanisme caché derrière l'effet Mpemba. Un certain nombre d'expérimentateurs ont annoncé que l'évaporation seule ne suffisait pas à expliquer leurs résusltats [5,9,12] -- en particulier, dans l'expérience initiale de Mpemba et Osborne on avait mesuré la masse perdue par évaporation et on l'avait trouvé sensiblement plus petite que celle prédite par les claculs de Kell [5,9]. Et, pour être plus convaincant, on peut citer l'expérience de Wojciechowski qui observa l'effet Mpemba dans un récipient fermé, où aucune masse d'eau ne peut être perdue par évaporation.
Une autre explication propose que les gaz dissouts habituellement présents dans l'eau ont été expulsés de l'eau initialement la plus chaude, et que ceci change quelque part la nature de l'eau, ce qui explique l'effet. Il a été supposé que l'absence de gaz dissouts change la capactié de l'eau à conduire la chaleur, ou change la chaleur latente massique de fusion de l'eau [NdT: quantité de chaleur nécessaire pour rendre liquide une unité de masse de glace, égale en valeur absolue à la quantité de chaleur nécessaire pour geler une unité de masse d'eau], ou encore en changeant le point de fusion de façon significative. Il est certian que l'eau chaude peut dissoudre moins de gaz que l'eau froide, et que l'eau bouillante expulse le plus de gaz possible. La question est de savoir si ceci peut affecter de manière significative les propriétés de l'eau au point d'expliquer l'effet Mpemba. Pour antant que j'en sache, il n'y a aucun travail théorique qui confirme cette explication de l'effet Mpemba.
Une confirmation indirecte peut être trouvée dans deux expériences où on a observé l'effet Mpemba avec une eau normale possédant des gaz dissouts, mais on ne l'a pas observé en utilisant une eau dégazée [10,14]. Cependant, un essai ayant pour but de mesurer la dépendance de l'enthalpie de fusion avec la température initiale et la quantité de gaz dissout n'a abouti à aucun résultat concluant [14].
Un problème rencontré avec cette explication est le suivant: dans beaucoup d'expériences on a d'abord fait bouiller à la fois l'eau initialemnt la plus chaude et l'eau initialement la plus froide, précisément pour éliminer l'influence des gaz dissouts, et cependant on a observé l'effet Mpemba [5,13]. Dans deux expériences quelque peu approximatives on a observé que le fait de faire varier la quantité de gaz présente dans l'eau n'avait pas d'influence sur l'effet Mpemba [9,12].
On a aussi supposé que l'effet Mpemba peut être expliqué par le fait que la température de l'eau devient non uniforme. Comme l'eau se refroidit, il apparaît des gradients de température et des courants de convection. Pour la plupart des températures la densité de l'eau décroit si la température augmente. Alors, durant le refroidissement, on va assister à la formation d'un "hot top"[NdT:un "haut chaud"] -- la surface de l'eau aura une température plus élevée que la température moyenne et que la température de l'eau du fond du récipient. Si l'eau perd de l'énergie thermique essentiellement par la surface, alors cela veut dire que l'eau devrait perdre de l'énergie thermique plus vite qu'on pourrait le prévoir en considérant sa température moyenne uniquement. Et pur une température moyenne donnée, la perte d'énergie thermique sertait d'autant plus grande que que la distribution de température est inhomogène (i.e. d'auta nt plus que la différence de température entre le haut et le bas du récipient est élevée).
Comment ceci explique-t-il l'effet Mpemba? Et bien, l'eau initialement la plus chaude va se refroidir très vite, et il va se créer rapidement des courants de convection et donc la température de l'eau du haut du récipient va être fort différente de celle d'eau l'eau du bas. D'un autre côté, l'eau initialemnt la plus froide va avoir une vitesse de refroidissmeent plus faible, et donc sera plus lente à développer des courants de convection significatifs. Alors, si on compare l'eau initialement la plus chaude et l'eau initialement la plus froide à la même température, il semble raisonnalbe de penser que l'eau initialement la plus chaude possèdera plus de courants de convection, et donc aura une vitesse de refroidissment plus élevée. Pour prendre un exemple concret, supposons que l'eau initialement la plus chaude soit au départ à 70°C, et l'eau initialement la plus froide à 30°C. Quand l'eau initialement la plus froide est à la température de 30°C, elle a églament une température UNIFORME de 30°C. Toutefois, quand l'eau initialement la plus chaude atteint une température moyenne de 30°C, la surface de l'eau est certainement plus chaude que 30°C, et donc l'eau va perdre son énergie thermique plus vite que l'eau initialement la plus foide à la même température. Compris? Cette explication est ardue à comprendre, et donc vous pouvez relire les deux derniers paragraphes encore une fois, en faisant particulièrement attention à la différence entre la température initiale, la température moyenne, et la température.
Quelle que soit la vitesse si l'argumentation ci-dessus est valable, alors si on trace la température moyenne en fonction du temps pour l'eau initialement la plus chaude et l'eau initialement la plus froide sur le même graphe, alors pour certaines températures moyennes l'eau initialement la plus chaude va se refroidir plus vite que l'eau initialement la plus froide; alors la courbe de refroidissement de l'eau initialement la plus chaude ne va pas tout simplement reproduire la courbe de refroidissement de l'eau initialement la plus froide, mais va descendre plus vite dans la même plage de températures.
Ceci montre que l'eau initialement la plus chaude refroidit plus vite, mais évidemment doit descendre depuis une température plus haute. Donc il n'est pas clair en fait qu'elle finisse de se refroidir en premier (i.e. qu'elle atteigne la température de 0°C en premier). Pour savoir laquelle des deux glèe en premier il faudrait modéliser théoriquement les courants de convection (de préférence pour une gamme de formes et tailles de récipients), ce qui n'a pas été fait. Donc la convection seule pourrait expliquer l'effet Mpemba, mais si c'est le cas on ne le sait pas actuellement. Les expériences sur l'effet Mpemba ont souvent permis d'observer un "hot top" [5,8,10], comme on pouvait le penser. Des expériences ont été effectuées dans lesquelles on observait les courants de convection de l'eau qui gèle [27,28], mais leurs implications dans l'effet Mpemba n'est pas totalement claire.
Il faut en plus signaler que la densité de l'eau est maximale à 4°C. Donc en dessous de 4°C la densité de l'eau décroit si la température de l'eau diminue, et on va obtenir un "cold top"[NdT:un "haut froid"]. Ceci rend la situation encore plus compliquée.
L'eau initialement la plus chaude pourrait changer son environnement d'une façon quelconque, ce qui la rendrait plus rapide à se refroidir ensuite. Une expérience a montré des changements significatifs dans les données simplement en changeant la taille du freezer dans lequel se trouvait le récipient [7]. Donc de façon concevalbe il est important de non seulement connaître tout ce qui concerne l'eau et le récipient, mais aussi tout ce qui concerne l'environnement autour d'eux.
Par exemple, une explication de l'effet Mpemba est que si le récipient est posé sur une fine couche de glace, alors que le récipient contenant l'eau chaude repose simplement sur la surface de la glace. Ceci arrive quand le récipient contenant l'eau chaude fait fondre la glace, et donc reposera au fond du freezer. A ce moment là l'eau chaude aura une meilleur contact thermique avec les systèmes de refroidissement. Si la glace fondue gèle à nouveau, formant un pont de glace entre le freezer et le récipient, le contact thermique n'en sera que meilleur.
Evidemment, même si cet argument est correct, il a une portée très limitée, du fait que la plupart des chercheurs sont suffisamment prudents pour ne pas laisser les récipients sur une couche de glace, ils placent plutôt le récipient sur un isolant thermique, ou bien dans un bain refroidissant. Donc bien que ce mécanisme pourrait ou non avoir de l'importance dans certianes expériences, il est non pertinent pour la plupart des résultats publiés.
Pour finir, la surfusion peut avoir son importance dans l'effet Mpemba. La surfusion apparaît quand l'eau ne gèle pas à 0°C, mais à une température inférieure. Ceci arrive parce que l'assertion "l'eau gèle à 0°C" est relative à l'état de plus basse énergie de l'eau -- à une température inférieure à 0°C les molécules d'eau "veulent" se réarranger en cristaux de glace. Ceci veut dire qu'elles vont cesser de s'agiter aléatoirement dans tous les sens comme dans un liquide, et vont plutôt former un réseau cristallin solide. Toutefois, elles ne savent pas par elles-mêmes comment formar le réseau de glace, mais ont besoin d'une petite irrégularité ou site de nucléation pour leur quot;expliquer" comment se réarranger. Quelquefois, quand l'eau est refroidie en dessous de 0°C, l'eau ne se trouve pas en contact avec un site de nucléation pendant un certain temps, et alors l'eau va refroidir en dessous de 0°C sans geler. Cecei arrvie très souvent. Une expérience a montré que l'eau initialement la plus chaude subissait peu le phénomène de surfusion (disons environ jusqu'à -2°C), alors que l'eau initialement la plus froide le subissait plus (jusqu'à environ -8°C) [12]. Si cela est vrai, ça pourrait expliquer l'effet Mpemba parce que l'eau initialement la plus froide devrait "faire plus de travail" -- c'est-à-dire, se refroidir plus -- pour geler.
Toutefois encore, ça ne peut pas être considéré comme LA seule expoplication de l'effet Mpemba. Premièrement, pour ce que j'en sais, ce résultat n'a pas été confirmé par une équipe indépendante. L'expérience décrite ci-dessus [12] n'a subi que quelques vérifications, donc les résultats trouvés pourraient n'avoir été que des fluctuations statistiques.
Secundo, même si les résultats sont corrects, ils ne permettent pas d'expliquer l'effet Mpemba, mais remplacent un mystère par un autre. Pourquoi l'eau initialement la plus chaude subirait moins la surfusion que l'eau initialemnt la plus froide? Après tout, une fois que l'eau a refroidi à une température plus basse, on pourrait logiquement penser que l'eau ne se "souviendrait" pas à quelle température elle était avant. UNe explication est que l'eau initialement la plus chaude possède moins de gaz dissouts que l'eau initialement la plus froide, et que ceci change les propriétés touchant à la surfusion (voir Gaz dissouts pour plus de détails sur ce sujet). Le problème de cette hypothèse est qu'on peut supposer que comme l'eau chaude a moins de gaz dissouts et donc moins de sites de nucléation, elle devrait subir plus le phénoimène de surfusion, et non le contraire! Une autre explication propose que quand l'eau initialement la plus chaude a été refroidie à 0°C (ou au dessous), sa distribution de températures dans le récipient varie plus plus que dans le cas de l'eau initialement la plus froide (voir Convection pour plus de détails sur ce sujet). Comme les variations brutales de température déclenchent la solidification [26], l'eau initialement la plus chaude subit moins la surfusion, et donc gèle plus tôt.
Troisièmement, cette explication ne peut pas fonctionner dans toutes les expériences, parce que dans beaucoup d'entre elles on choisit non pas de mesurer le temps mis pour former entièrement le bloc de glace, mais de mesurer le temps mis par une partie de l'eau pour atteindre la température de 0°C [7,10,13] (ou peut-être le temps nécessaire pour qu'une fine couche de glace se forme à la surface de l'eau [17]). Bien que [12] dise qu'il y a seulement un seul "vrai effet Mpemba" si l'eau chaude gèle entièrement en premier, les autres articles définissent l'effet Mpemba de manière différente. Comme la durée précise de surfusion est par nature imprévisible (voir [26]), dans beaucoup d'expériences on a choisi de mesurer non pas le temps mis par l'échantillon pour de venir de la glace, mais le temps pour lequel l'état d'équilibre de l'échantillon est la glace -- i.e. le temps necessaire pour que le haut de l'échantillon atteigne 0°C [7,10,13]. L'argument de la surfusion ne peut s'appliquer à ces expériences.