Généralement, on s’attend à ce qu’un échantillon d’eau froide gèle plus rapidement qu’un autre d’eau chaude. Pourtant le contraire se produit dans certaines conditions, sans toutefois qu’aucune justification acceptable n’en donne l’explication. Malgré cela, nombreux sont ceux qui affirment que cet effet existe, puisqu’il a été observé à maintes reprises. C’est d’ailleurs pourquoi plusieurs hypothèses tentent d’expliquer ce phénomène.
L’une des raisons évoquées afin d’éclaircir ce mystère concerne la perte de masse. Lorsque l’eau chaude s’évapore, elle perd de la masse, ce qui fait qu’elle a besoin de perdre moins de chaleur pour passer à l’état solide.
Au sujet de l’eau froide, d’autres théoriciens ont plutôt signalé que la présence de gaz dissous comme le dioxyde de carbone, l’azote ou le méthane, diminue en fonction de la température. Les propriétés de l’eau se trouveraient donc changées, ce qui pourrait altérer sa vitesse de congélation. Une hypothèse répandue au sujet de ce phénomène est celle de la surfusion, observé majoritairement lorsque le refroidissement est lent et qu’il y a peu d’impuretés dans l’eau. Durant la surfusion, l’eau demeure sous sa forme liquide, même à une température sous la barre des 0°C. « Les sites de nucléation à partir desquels les germes de cristaux peuvent se développer sont moins nombreux », est-il expliqué dans le magazine scientifique La recherche.
Dans certains cas, toutefois, le chauffage de l’eau peut aussi diminuer le nombre de sites de nucléation – donc les espaces dans lesquels des cristaux glacés peuvent se former. Cette possilbité contredit donc l’effet Mpemba.
Dans d’autres situations, les variations brutales de température engendreront la congélation. Dans ces cas, l’eau chaude gèle plus vite, puisqu’elle est justement moins sensible à la surfusion. Cette hyposensibilité proviendrait du fait de la distribution non uniforme de la température dans l’eau chaude, ce qui faciliterait la cristallisation de l’eau.
L’affaire semble donc tourner autour de la distribution de température. Cependant, cette même distribution – aussi appelée gradients –, pourrait à la fois faciliter le refroidissement de l’eau chaude. Les gradients, qui créent des courants de convection durant le refroidissement, se répandent du haut vers le bas. En effet, dès qu’on atteint une température en dessous de 4°C, l’eau chaude est moins dense que l’eau froide. Conséquemment, le refroidissement à la surface se ferait plus rapidement comparativement à ce que l’on croirait en se fiant aux températures moyennes des échantillons.
Les recherches aboutissent à des résultats contradictoires et divers, mais on peut affirmer avec assurance que sous certaines conditions, l’eau chaude gèle plus vite que l’eau froide ! Les théoriciens supposent du moins que le phénomène est dû à une combinaison complexe des différentes hypothèses comme l’évaporation et la surfusion.
