L'eau froide gèle-t-elle plus vite que l'eau chaude ?
Ça semble aller de soi : à volume égal, l'eau chaude gèle moins vite que l'eau froide. Car pour atteindre 0°C, l'eau déjà froide a moins de chaleur à perdre, moins d'énergie à dissiper, que l'eau chaude. C'est logique en quelque sorte.
Pourtant la thermodynamique prévoit tout autre chose. C'est l'effet Mpemba, du nom de son découvreur tanzanien, en 1963.
L'eau chaude gèle donc plus vite que l'eau froide, et pour plusieurs raisons. D'abord, pour une histoire de volume. Certains chimistes soutiennent que l'évaporation de l'eau dans l'échantillon chaud est responsable d'une perte de volume. Comme l'eau chaude a moins de volume, elle congèlerait plus rapidement que l'eau froide. Mais c'est très contestable car la perte de volume n'est pas assez conséquente.
Le pouvoir de l'eau froide
Ensuite, l'eau froide a la capacité d'entrer dans un état particulier, la surfusion : elle adopte alors un comportement métastable (entre liquide et solide) qui lui permet de rester liquide jusqu'à des températures très basses (-40°C dans l'atmosphère ; -5°C dans le congélateur). Pour que ceci soit possible, il faut que l'eau soit "calme". Or, l'eau chaude, justement, n'est pas calme : elle est, plus que l'eau froide, soumise à des mouvements de convection dus aux différences de températures au sein liquide. Par conséquent, difficile pour cette eau d'entrer en équilibre métastable : elle gèle à 0°C.
De plus, les gaz dissous dans l'eau (principalement O2 et CO2) abaissent le point de congélation de l'eau froide. Dans l'eau chaude, c'est différent car ces gaz s'échappent à cause de la chaleur de l'eau chaude qui les rend insolubles. Ceci pourquoi l'eau froide surfusionne beaucoup plus que l'eau chaude.
Ce n'est pas tout. Les molécules d'eau chaude ont suffisamment d'énergie pour quitter le corps liquide sous forme de gaz vapeur (de ce fait, elles lui retirent de l'énergie calorifique). Les molécules d'eau froides ont-elles peu d'énergie, en tout cas pas assez pour quitter le liquide. Ainsi l'eau chaude perd sa chaleur plus rapidement. Autrement dit, elle perd son énergie plus vite que l'eau froide et atteint son point de congélation en premier.