L'eau chaude gèle plus vite que l'eau froide (parfois)
L'effet Mpemba défie l'intuition : dans certaines conditions, l'eau chaude gèle avant l'eau froide. La science peine encore à l'expliquer.
L'eau chaude gèle plus vite que l'eau froide (parfois)
Cela semble absurde. Cela contredit tout ce que vous pensez savoir sur la physique. Et pourtant : dans certaines conditions, de l'eau chaude peut geler plus rapidement que de l'eau froide. Ce phénomène, documenté depuis l'Antiquité mais longtemps ignoré par la science moderne, porte aujourd'hui le nom d'un lycéen tanzanien qui a eu le courage de contredire son professeur.
L'effet Mpemba : histoire d'un élève obstiné
En 1963, Erasto Mpemba est un lycéen de 13 ans à Magamba, en Tanzanie. Son cours de cuisine lui demande de préparer une crème glacée maison. Pressé par le temps (les congélateurs de l'école sont en accès limité), il place son mélange encore chaud directement au congélateur, sans attendre qu'il refroidisse comme les autres élèves.
Résultat surprenant : sa crème glacée gèle avant celle de ses camarades qui avaient pourtant utilisé un mélange froid.
Mpemba questionne son professeur. La réponse : "Tu as dû te tromper. C'est impossible."
Mpemba insiste. Il refait l'expérience. Le résultat est le même. Son professeur se moque de lui devant la classe.
La rencontre avec Denis Osborne
En 1969, le physicien britannique Denis Osborne visite l'école de Mpemba pour une conférence. Mpemba, toujours convaincu de son observation, pose la question publiquement :
"Si vous prenez deux récipients identiques avec des volumes égaux d'eau, l'un à 35°C et l'autre à 100°C, et que vous les mettez au congélateur, celui à 100°C gèle en premier. Pourquoi ?"
Les élèves rient. Osborne, lui, prend la question au sérieux. Il fait des expériences. Il confirme le phénomène. En 1969, Mpemba et Osborne publient ensemble un article dans la revue Physics Education.
L'effet porte désormais le nom du lycéen, pas du professeur qui l'avait ridiculisé.
Les conditions de l'effet Mpemba
L'effet Mpemba ne se produit pas systématiquement. Il nécessite des conditions spécifiques :
| Facteur | Impact |
|---|---|
| Température initiale | L'eau chaude doit être significativement plus chaude |
| Type de récipient | Métal ou verre fin favorisent l'effet |
| Volume d'eau | Petits volumes (< 100 ml) |
| Température du congélateur | -20°C ou moins |
| Position dans le congélateur | Contact direct avec le froid |
En pratique, l'effet est reproductible mais capricieux. Deux expériences apparemment identiques peuvent donner des résultats différents.
Les théories explicatives
Malgré des décennies de recherche, aucune théorie n'explique complètement l'effet Mpemba. Plusieurs mécanismes sont probablement en jeu simultanément :
1. L'évaporation
L'eau chaude s'évapore plus vite que l'eau froide. Cette évaporation :
- Réduit le volume d'eau à geler
- Refroidit le reste par évaporation (chaleur latente)
Si vous commencez avec 100 ml d'eau à 100°C, vous pourriez n'avoir que 95 ml à geler après quelques minutes. Moins de masse = gel plus rapide.
Problème avec cette théorie : L'effet Mpemba a été observé même dans des récipients fermés où l'évaporation est négligeable.
2. Les courants de convection
L'eau chaude génère des courants de convection plus vigoureux. L'eau froide reste stratifiée (couches de températures différentes).
Ces courants pourraient :
- Accélérer les échanges thermiques avec les parois
- Créer un refroidissement plus homogène
- Empêcher la formation de couches isolantes
3. Les gaz dissous
L'eau froide contient plus de gaz dissous (oxygène, CO₂) que l'eau chaude. Quand vous chauffez de l'eau, vous voyez des bulles apparaître — ce sont les gaz qui s'échappent.
Ces gaz pourraient :
- Modifier les propriétés thermiques de l'eau
- Affecter la formation des cristaux de glace
- Créer des micro-bulles isolantes
L'eau chaude "dégazée" aurait donc des propriétés différentes.
4. La surfusion
L'eau froide peut rester liquide en dessous de 0°C, un phénomène appelé surfusion. L'eau très pure peut descendre jusqu'à -40°C sans geler.
L'eau chaude, en ayant dégazé et modifié sa structure moléculaire, pourrait être moins sujette à la surfusion. Elle gèlerait donc à 0°C, tandis que l'eau froide "attendrait" plus longtemps.
5. Les liaisons hydrogène (théorie récente)
En 2017, des chercheurs de l'Université de Nanyang à Singapour ont proposé une explication basée sur les liaisons hydrogène.
Dans l'eau chaude, les molécules sont plus espacées et les liaisons covalentes (O-H) sont étirées. Quand l'eau refroidit, ces liaisons se "relâchent" et libèrent de l'énergie, accélérant le refroidissement.
C'est comme un élastique étiré qui revient à sa position initiale : il libère l'énergie stockée.
Cette théorie est prometteuse mais pas encore définitivement confirmée.
La controverse scientifique
L'effet Mpemba reste controversé dans la communauté scientifique. En 2016, une étude de l'Imperial College London a tenté de reproduire l'effet dans des conditions rigoureusement contrôlées.
Résultat : pas d'effet Mpemba détectable.
Les auteurs suggèrent que les observations précédentes pourraient être dues à :
- Des erreurs expérimentales
- Des conditions non contrôlées
- Des biais de publication (on publie les résultats positifs)
D'autres chercheurs contestent cette étude, arguant que les conditions n'étaient pas optimales.
Le débat continue.
Aristote l'avait remarqué
L'effet Mpemba n'est pas une découverte moderne. Dans ses Météorologiques (IVe siècle av. J.-C.), Aristote écrit :
"Le fait que l'eau ait été préalablement chauffée contribue à sa congélation rapide : car elle refroidit plus vite. C'est pourquoi beaucoup de gens, quand ils veulent refroidir de l'eau rapidement, commencent par la mettre au soleil."
Francis Bacon (1620) et René Descartes (1637) ont également mentionné ce phénomène. Mais la science moderne l'a longtemps ignoré, le considérant comme une erreur d'observation.
Il a fallu un lycéen tanzanien obstiné pour ramener le sujet sur la table.
Comment reproduire l'effet ?
Si vous voulez tenter l'expérience chez vous :
Matériel
- Deux récipients identiques en métal (pas de plastique)
- Eau du robinet
- Un congélateur réglé à -20°C ou moins
- Un thermomètre
Protocole
- Remplir les deux récipients avec la même quantité d'eau (50 ml)
- Chauffer une portion à 90-100°C
- Laisser l'autre à température ambiante (20-25°C)
- Placer les deux récipients côte à côte au congélateur
- Vérifier toutes les 15 minutes laquelle gèle en premier
Précautions
- Les récipients doivent être identiques
- La position dans le congélateur doit être équivalente
- Ne pas ouvrir la porte trop souvent (perte de froid)
L'effet n'est pas garanti, mais vous avez des chances de l'observer.
Ce que ça nous apprend
L'effet Mpemba illustre plusieurs leçons importantes :
- L'intuition peut être trompeuse : Notre sens commun nous dit que l'eau froide gèle plus vite. Ce n'est pas toujours vrai.
- La science n'a pas toutes les réponses : Un phénomène observé depuis l'Antiquité n'est toujours pas complètement expliqué en 2026.
- Questionner l'autorité peut être utile : Si Mpemba avait accepté la réponse de son professeur, l'effet porterait peut-être un autre nom — ou resterait inconnu.
- L'eau est bizarre : L'eau est l'une des substances les plus étudiées au monde, et elle continue de nous surprendre. Son comportement anormal (densité maximale à 4°C, expansion en gelant) défie les règles habituelles.
Un lycéen tanzanien a prouvé que l'eau chaude peut geler plus vite que l'eau froide. La science ne comprend toujours pas exactement pourquoi. Parfois, les questions les plus simples sont les plus difficiles.
