あついお湯が冷たい水より早く凍るなぞの現象「ムペンバ効果」ってものがあるらしい

暮らしと科学のハテナ

「お湯と水、どっちが早く氷になると思う？」と聞かれたら、きっと誰もが「冷たい水に決まっているよ！」と答えますよね。

でも実は、条件によっては冷たい水よりも熱いお湯のほうが早く凍ってしまうことがあるのです。

「えっ、嘘でしょう！？」と思ってしまいますよね。でも、これは実際に観察されることがあるとても不思議な現象なのです。

今回は、現代の科学でも「なぜそうなるのか」という完全な答えがまだ見つかっていない最大の謎のひとつ、不思議な現象「ムペンバ効果」について詳しく探っていきましょう！

氷を作る時のふしぎな実験

タンザニアの中学生が発見した魔法のような現象

この現象が「ムペンバ効果」と呼ばれるようになったきっかけは、とても身近な日常の疑問でした。

1960年代、アフリカのタンザニアに住んでいた中学生、エラスト・ムペンバ（Erasto Mpemba）君は、学校の調理実習でアイスクリームの元（温かい牛乳と砂糖を混ぜたもの）を作っていました。

冷凍庫のスペースが限られていたため、ムペンバ君は牛乳が冷めるのを待たずに、熱いまま冷凍庫に入れました。するとどうでしょう。他の生徒が冷ましてから入れたものよりも、なんとムペンバ君の熱い牛乳のほうが早く固まったのです。

「熱いほうが早く凍るなんておかしい！」と周囲からは信じてもらえませんでしたが、ムペンバ君は諦めずに物理学者のデニス・オズボーン博士とともに実験を行い、1969年に正式な科学論文として発表しました。この出来事から、彼の名前をとって「ムペンバ効果」と呼ばれるようになりました。

暮らしの中で試す時の注意点

「自分でも家で実験してみたい！」と思った人もいるかもしれません。しかし、実はこのムペンバ効果は「いつでも必ず再現できるわけではない」という大きな特徴があります。

実は、プロの科学者たちが最新の装置を使って実験しても「お湯が早く凍る時」と「普通に水が早く凍る時」があり、なかなか同じ結果にならないのです。

もしご家庭で実験する場合は、容器の形、水の量、風の当たり方、さらには水に含まれる空気の量など、さまざまな条件がピッタリ揃わないと観察できません。熱いお湯を使いますので、試す時は必ず保護者の方と一緒に火傷に気をつけながら行ってくださいね。


なぜ熱いお湯が早く凍るの？（考えられている諸説）

水は０℃で凍るのは皆さん知っていますよね？（０℃のことを氷点下なんて言ったりします）

水を冷やすなら、８０℃の水よりも、２０℃の水の方がより早く、０℃になるはずです！それなのに、なぜ熱いお湯が追い抜いて先に凍ってしまうのでしょうか？

実は、科学者の間でも「これが唯一の絶対的な理由だ！」という結論はまだ完全には解明されていません。現在は「いくつかの理由（諸説）が複雑に組み合わさって起きているのではないか」と考えられています。代表的な説を見ていきましょう。

説1：お湯から湯気が立ち上る「蒸発（じょうはつ）」

熱いお湯からは、モクモクと湯気が上がりますよね。これは水が蒸気になって逃げている状態です。

蒸発が起きると、以下の2つのことが起こります。

  • 水の量が減る：
    蒸発した分だけ水の全体量が減るため、冷やさなければならない水の量が少なくなります。
  • 熱を奪う（気化熱）：
    水が蒸気になるときに周囲の熱を一緒に持ち去ってくれます（打ち水やお風呂上がりに体が冷えるのと同じ原理です）。

説2：水の中に溶けている空気の量

水道水などの水には、目に見えない空気が溶け込んでいます。水を取り加熱してお湯にすると、泡となって空気が抜けていきます（沸騰させると泡が出ますよね）。

水の中に空気がたくさん溶けていると、それが邪魔をして熱が逃げにくくなることがあります。一度沸騰させて空気が抜けたお湯のほうが、スムーズに熱が逃げて凍りやすくなるという説です。

説3：熱の伝わりやすさ（対流）

熱いお湯を冷やすと、容器の中で激しい水の流れ（対流）が生まれます。温かい水は上に移動し、冷たい水は下に移動します。この激しい流れによって、容器全体から効率よく熱が外へ逃げていくと考えられています。

専門的な解説（さらに詳しく知りたい人へ）

ここからは、物理や化学の視点からさらに深く探求したい方向けの専門的な補足解説です。ムペンバ効果が「なぜ完全解明されていないか」を示す、最先端の研究説をご紹介します。

1. 水分子の水素結合とエネルギー状態の仮説

2013年、シンガポールの南洋理工大学の研究チーム（Sun Changqing氏ら）は、水分子同士を結びつける「水素結合」の観点からムペンバ効果の理論モデルを発表しました。

水分子（H2O）内では、酸素原子と水素原子が共有結合で結ばれています。同時に、隣り合う水分子の酸素原子と水素原子の間には弱い「水素結合」が働いています。

  • 低温時：
    水分子同士の水素結合が強く働き、分子間距離が縮まることで、共有結合が伸ばされてエネルギーを蓄えた状態になります。
  • 高温時：
    熱運動によって水素結合が伸ばされ、分子間距離が開きます。その反作用として、共有結合が短くなり、安定してエネルギーを放出します。

この説では、加熱された水は共有結合に蓄えられたエネルギーを放出する準備が整っており、冷却時に指数関数的な速度で熱を放出できるため冷却速度が早くなると説明されています（ただし、すべての研究者がこの説に同意しているわけではありません）。

まとめ

あついお湯が冷たい水より早く凍る「ムペンバ効果」は、一見すると直感に反する不思議な現象です。

  • 身近な疑問：タンザニアの中学生ムペンバ君の日常の気づきから発見された。
  • 解明されていない謎：今でも「なぜそうなるのか」の完璧な答えは決まっておらず、科学者の間でも議論が続いている。
  • 考えられる諸説：水の蒸発、溶けている気体の減少、対流による熱伝達、水分子の結合状態など、複数の要素が重なり合っていると考えられている。

「冷たい水が早く凍る」という当たり前と思えることでも、じっくり観察してみると解明されていない世界が広がっています。「なぜだろう？」と疑問を持つことが、新しい発見への第一歩になりますね。

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参照元

  • Mpemba, E. B., & Osborne, D. G. (1969). Cool?. Physics Education, 4(3), 172.
  • Zhang, X., Huang, Y., Ma, Z., Zhou, Y., Zhou, J., Zheng, W., … & Sun, C. Q. (2014). Hydrogen-bond memory account for the Mpemba effect. Physical Chemistry Chemical Physics, 16(42), 22995-23002.
  • Lu, Z., & Raz, O. (2017). Nonequilibrium thermodynamics of the Mpemba effect in Markovian systems. Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(20), 5083-5088.
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