Desde los días de Aristóteles, la gente ha hecho la observación contradictoria de que el agua caliente a veces se congela más rápido que el agua fría. En los tiempos modernos, la observación ha sido denominada efecto Mpemba en honor a Erasto Mpemba, un estudiante de escuela primaria que vivía en lo que ahora es Tanzania a principios de los años 60. Al hacer helado, Mpemba observó que usar leche más caliente hace que el helado se congele más rápido que cuando usa leche más fría.

En las últimas decádas, el efecto Mpemba ha sido estudiado y observado en varios sistemas físicos además del agua, incluidos resonadores de nanotubos de carbono y jaulas de agua con forma de hielo llamadas hidratos de clatrato. A pesar de estos hallazgos, las causas del efecto no se comprenden bien. Las explicaciones propuestas incluyen la presencia de impurezas, enlaces de hidrógeno, y sobreenfriamiento. Incluso la mera existencia del efecto Mpemba sigue siendo controvertida, ya que un estudio reciente encontró evidencia insuficiente para replicar un efecto significativo.

Ahora, su interés reavivado por un artículo reciente que propone un mecanismo genérico para efectos similares, Los científicos Antonio Lasanta y los coautores de universidades de España han vuelto a la cuestión en un nuevo estudio publicado en Cartas de revisión física . En su trabajo, los investigadores demuestran e investigan teóricamente el efecto Mpemba en fluidos granulares, como los de arena u otras partículas pequeñas.

Usando simulaciones de sistemas granulares y un enfoque de teoría cinética simple, los investigadores pudieron determinar que las condiciones iniciales en las que se prepara el sistema juegan un papel crítico para determinar si el sistema exhibe o no el efecto Mpemba. Su análisis también les permitió identificar las condiciones iniciales requeridas para que un sistema granular exhibiera el efecto Mpemba.

"Nuestro trabajo muestra que la existencia del efecto Mpemba es muy sensible a la preparación inicial del fluido o, en otras palabras, a su historia anterior, Andrés Santos, coautor de la Universidad de Extremadura en Badajoz, España, dicho Phys.org . "En nuestra opinion, esto puede explicar la elusividad y la controversia del efecto Mpemba en el agua, como consecuencia de la falta de control sobre la preparación inicial detallada de la muestra ".

Como demostraron los investigadores, si un sistema no está preparado en determinadas condiciones iniciales, entonces el sistema más frío se enfría más rápidamente que el más cálido, como se esperaba, y no hay efecto Mpemba.

"Teóricamente mostramos, al menos en el caso de un gas, que la evolución de la temperatura de un sistema y, por lo tanto, su velocidad de enfriamiento y / o calentamiento no dependen únicamente de la temperatura inicial, sino también en la historia previa del sistema que controla el valor inicial de las variables adicionales, Santos dijo. Por lo tanto, Es perfectamente posible que un sistema inicialmente calentado se enfríe más rápido que uno más frío con un historial diferente ".

Como explicaron los investigadores con más detalle, la simplicidad del efecto Mpemba en fluidos granulares en comparación con el agua y otros sistemas les permitió llegar a esta conclusión.

“Nuestros resultados muestran que el efecto Mpemba es un fenómeno genérico de desequilibrio que aparece si la evolución de la temperatura depende de otras cantidades físicas que caracterizan el estado inicial del sistema, Santos dijo. En la práctica, tal estado inicial puede lograrse experimentalmente si el sistema se lleva por algún procedimiento físico muy lejos del equilibrio (por ejemplo, por un impulso de calentamiento repentino antes del enfriamiento). Nuestro trabajo teórico y computacional muestra que el efecto Mpemba es particularmente simple en un gas granular, ya que, en la práctica, hay un único parámetro adicional que controla el efecto Mpemba. Este parámetro es la curtosis, que mide la desviación de la función de distribución de velocidad de una distribución gaussiana ".

Con este nuevo entendimiento, los investigadores pudieron estimar un rango de temperaturas iniciales para las cuales surge el efecto y determinar qué tan diferentes deben ser los valores iniciales de este parámetro para que aparezca el efecto Mpemba.

Los resultados también apoyan las predicciones de la existencia de un efecto Mpemba inverso:cuando se calienta, una muestra más fría puede alcanzar una temperatura objetivo caliente antes que una muestra más caliente. Los investigadores planean investigar esta área y otras en el futuro.

"En el aspecto teórico, planeamos realizar un estudio similar en el caso de un soluto molecular (donde las colisiones son completamente elásticas) suspendido en un solvente que produce una fuerza de arrastre no lineal sobre las partículas del soluto, Santos dijo. Volviendo a los fluidos granulares, también queremos analizar el impacto de la rugosidad de las partículas y el giro en el efecto Mpemba. En el último sistema, el modelo más simple acoplaría la evolución de la temperatura a la del parámetro que mide la no equipartición de energía entre los grados de libertad traslacional y rotacional.

"En el lado experimental, pensamos que reproducir en un laboratorio el efecto Mpemba en un gas granular sería un gran avance. Actualmente estamos trabajando en el diseño de un experimento ad hoc ".

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