Durante siglos, los científicos observadores, desde Aristóteles hasta Descartes, han albergado la sospecha de que, contrariamente a toda la sabiduría convencional, el agua caliente de alguna manera puede congelarse más rápido que el agua fría. Pero no hubo consenso científico de que esta conjetura fuera realmente cierta.
En 1963, un estudiante de física de Tanzania llamado Erasto B. Mpemba (pronunciado em-pem -ba) reavivó la idea a través de un accidente fortuito que ocurrió cuando estaba haciendo helado en su escuela. Parecía demostrar lo que Aristóteles y Descartes habían sospechado:el agua caliente alcanza un punto de congelación más rápidamente que el agua fría. Escribió sobre sus observaciones en un artículo de 1969, titulado simplemente "¿Genial?" lo que dio lugar al término "efecto Mpemba". ¿Pero tenía razón Erasto Mpemba? ¿El agua caliente realmente se congela más rápido que el agua fría?
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El efecto Mpemba es un concepto físico que postula que cuando el agua caliente y el agua fría se colocan en el mismo ambiente helado, el agua caliente se congelará más rápido que el agua fría.
Erasto Mpemba notó que cuando su clase estaba haciendo helado, colocó una mezcla de azúcar y leche (que es principalmente agua) casi hirviendo en un congelador, y se congeló antes que otras mezclas que se habían enfriado a temperatura ambiente antes de congelarse. /P>
La extrapolación de Mpemba a partir de esta observación fue que cuando volúmenes idénticos de agua (uno a 212 grados Fahrenheit (100 grados Celsius) y el otro a 95 grados Fahrenheit (35 grados Celsius)) se colocaban en vasos de precipitados idénticos y se metían en un congelador, los 212 grados Fahrenheit (35 grados Celsius) se colocaban en vasos idénticos. el agua se convertiría en hielo más rápido. La observación del helado y la postulación del agua de Mpemba lo alinearon con muchos siglos de científicos que también habían sospechado esta propiedad inusual del agua.
Cuando el agua se congela y forma hielo, sufre un cambio de fase; pasa de líquido a sólido. Los físicos tradicionalmente declaran la fase de una sustancia cuando está en equilibrio. Esto significa que la sustancia se encuentra en un estado estable y que no fluyen cantidades significativas de energía de una región a otra. También significa que su volumen y temperatura se mantienen estables. Cuando una sustancia no está en equilibrio, sus niveles de energía fluctúan y también (potencialmente) su estado de la materia.
Para que el agua se congele y permanezca congelada, las partículas individuales de agua deben alcanzar el equilibrio. Si surge demasiada energía a través del agua en desequilibrio, fluctuará entre sólido y líquido (a bajas temperaturas) o líquido y gas (a temperaturas más altas). Cuanto antes las partículas de agua alcancen el equilibrio a niveles bajos de energía, antes podrán congelarse.
Los físicos todavía están debatiendo si el agua caliente se congela constantemente más rápido que el agua fría. Cuando esto sucede, se deben cumplir ciertas condiciones.
Cuando un recipiente con agua se sumerge en un ambiente helado, diferentes partes del agua alcanzan el equilibrio en diferentes momentos. El agua alrededor de los bordes del recipiente se enfría más rápido, lo que significa que puede congelarse mientras que el agua en el medio del recipiente permanece líquida. Y cuando colocas específicamente un recipiente con agua caliente en un congelador (como el agua hirviendo a 212 grados descrito por Mpemba), también libera vapor desde la parte superior del recipiente, y esto disminuye el volumen total de agua que necesita congelarse.
Además, el agua fría (o incluso el agua a temperatura ambiente) a menudo desarrolla una capa de escarcha en su superficie como parte del proceso de congelación. Irónicamente, esta escarcha aísla temporalmente el agua (algo así como un iglú de hielo aísla a sus habitantes del aire frío), lo que puede ralentizar el proceso de congelación general. El agua caliente, al menos en las primeras etapas, bloquea la formación de escarcha, lo que permite que el aire frío penetre más profundamente en el recipiente.
Estas son algunas de las formas en que el agua caliente puede provocar congelación más rápido que el agua fría. Pero recuerda que para que el agua se congele y permanezca congelada, debe alcanzar un estado de equilibrio.
Si hay pruebas de que el efecto Mpemba es real y consistente, proviene de un estudio de 2020 realizado por John Bechhoefer y Avinash Kumar. Publicado en la revista Nature, el estudio sometió cuentas microscópicas de vidrio a lo que llamaron un "paisaje energético" controlado por láseres. Los investigadores calentaron perlas a diferentes temperaturas. Luego observaron cuál de las cuentas alcanzó primero un estado de equilibrio dentro de ese paisaje energético.
Bechhoefer y Kumar observaron que las perlas microscópicas que comenzaron a altas temperaturas alcanzaron el equilibrio más rápido que aquellas que comenzaron a temperaturas más bajas. Eso es bastante interesante, pero ¿qué relación tiene alcanzar el equilibrio con la congelación?
La conexión proviene de un trabajo anterior realizado por Zhiyue Lu de la Universidad de Carolina del Norte y Oren Raz del Instituto Weizmann de Ciencias en Israel. Su artículo, "Nonequilibrium thermodynamics of the Markovian Mpemba effect and its inverse", publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) y descrito por Quanta Magazine, postula que los sistemas de materia más calientes pueden avanzar en el proceso de alcanzando el equilibrio, alcanzando así un estado estable más rápido que un sistema más frío.
Si relajarse hacia el equilibrio es un punto de referencia crítico en el proceso de congelación del agua, entonces el trabajo combinado de Bechhoefer y Kumar junto con Lu y Raz podría demostrar la existencia de un efecto Mpemba.
El efecto Mpemba no se acepta uniformemente como un fenómeno científico probado. Sin embargo, siglos de observación, además del trabajo reciente de Bechhoefer, Kumar, Lu y Raz, han convencido a muchos físicos de que, en las circunstancias adecuadas, el agua caliente realmente puede alcanzar un punto de congelación más rápido que el agua fría.
Algunos científicos, como Harry Burridge y Paul Linden, se mantienen escépticos. Reconocen que, si bien algunos recipientes de agua caliente pueden congelarse más rápido que recipientes de agua fría del mismo tamaño, incluso el más mínimo cambio en las condiciones borra el efecto. El propio estudio de Burridge y Linden de 2016, "Cuestionando el efecto Mpemba:el agua caliente no se enfría más rápidamente que la fría", encontró que cualquier prueba de un efecto Mpemba dependía del tamaño de un recipiente de agua y de la ubicación de un termómetro. En un estudio separado, el investigador James Brownridge descubrió que las impurezas en un recipiente con agua (como las del helado de Mpemba) alterarán el punto de congelación del líquido. Si bien reconocen que hay momentos en que el agua caliente se congela más rápido que el agua fría, estos científicos argumentan que el fenómeno no se aplica uniformemente en la naturaleza.
Sin embargo, otros físicos, como Raúl Rica Alarcón, de la Universidad de Granada (España), creen que estos nuevos conjuntos de datos, como los ofrecidos por Bechhoefer y Kumar, son significativos. "Mi opinión es que el efecto Mpemba puede producirse en algunas circunstancias especiales", afirma Rica Alarcón, "pero todavía estamos intentando determinar cuáles son las condiciones mínimas para que esto suceda".
Rica Alarcón señala que la observancia del efecto Mpemba siempre implica diferencias drásticas de temperatura entre un recipiente de agua y el entorno que lo rodea. Y añade que se pueden observar fenómenos igualmente intrigantes cuando se invierten las temperaturas y se coloca hielo congelado en un ambiente cálido.
El efecto Mpemba, afirma Rica Alarcón, "parece pertenecer a un gran grupo de efectos anómalos de termalización, que tienen lugar cuando un sistema se pone repentinamente en contacto con un baño termal a diferente temperatura". El efecto Mpemba describe un cambio de fase de calor a frío como "cuando tomas una taza caliente y la pones en el frigorífico o en el congelador". Pero los cambios de fase de frío a calor también provocan resultados inusuales. "Se producen efectos interesantes cuando se realizan cambios de temperatura de frío a calor", dice Rica Alarcón, "como cuando se pone un cubito de hielo en agua hirviendo".
Sabemos que muchas generaciones de científicos han observado que el agua caliente se congela a una velocidad sorprendente. Rica Alarcón nos insta a considerar este proceso de manera más integral y pensar en el Efecto Mpemba como parte de un fenómeno más amplio. "La termalización", explica, "puede seguir caminos contrarios a la intuición debido a que los procesos se desarrollan fuera de equilibrio".
Al igual que el agua dulce, el agua del océano puede congelarse, pero lo hace a una temperatura más baja. El agua de mar se congela a unos 28,4 grados Fahrenheit (menos 2 grados Celsius) debido a su contenido de sal, mientras que el agua dulce se congela a 32 grados Fahrenheit (0 grados Celsius).
