Hay dos vasos de agua, uno caliente y otro frío. Mételos en el frigorífico. ¿Por qué se congela el caliente?

La gente suele creer que si se mete en el frigorífico un vaso de agua fría y un vaso de agua caliente al mismo tiempo, el agua fría se congelará rápidamente. Este no es el caso. Un día de 1963, en una escuela secundaria de Tanzania, África tropical, un grupo de estudiantes quería hacer unos alimentos congelados para refrescarse. Un estudiante llamado Erasto Mpeba añadió azúcar a la leche caliente y la preparó en el congelador para hacer helado. Pensó que si la leche caliente se enfriaba y se colocaba en el refrigerador, otros estudiantes llenarían el refrigerador, así que puso la leche caliente en el refrigerador. Poco después, abrió el refrigerador y echó un vistazo. Sorprendentemente, su taza de helado se había convertido en una comida deliciosa, mientras que el helado hecho por otros estudiantes con agua fría aún no se había congelado. Su descubrimiento no llamó la atención de sus profesores y compañeros, al contrario, fue una broma para ellos. Mba describió este peculiar fenómeno al Dr. Osborne, profesor de física en la Universidad de Dar es Salaam. Osborne se sorprendió un poco después de escuchar el relato de Mba, pero creía que lo que dijo Mba debía ser cierto. Osborne, que respetaba la ciencia, llevó a cabo otro experimento y los resultados fueron completamente consistentes con la narrativa de Mbemba. Esto ciertamente confirma que el agua caliente se congela más rápido que el agua fría en ambientes de baja temperatura. Desde entonces, muchas revistas científicas de todo el mundo han presentado este fenómeno natural y lo han denominado "Efecto Mpemba".

En segundo lugar, la historia del efecto Mba

La gente sabe desde hace siglos que el agua caliente se congela más rápido que el agua fría. Las primeras referencias y documentación de este fenómeno se remontan a Aristóteles en el año 300 a.C. Escribió:

"El agua previamente calentada ayuda a que se congele más rápido. Así que cuando la gente quiere enfriar el agua caliente, primero la pone al sol..."

Pero antes del 20 siglo, este fenómeno se consideraba sólo folclore. No fue hasta 1969 que Mpemba fue propuesto nuevamente en la comunidad científica. Desde entonces, muchos experimentos han confirmado la existencia del efecto Mpemba, pero no existe una explicación única.

Hacia 1461 el físico Giovanni Marliani dijo durante un debate sobre cómo enfriar objetos que había demostrado que el agua caliente se congela más rápido que el agua fría. Dijo que tomó cuatro onzas de agua hervida y cuatro onzas de agua sin calentar, las colocó en dos recipientes pequeños y los colocó afuera de su casa en un frío día de invierno, y descubrió que el agua hervida se congelaba primero. Pero no pudo explicar este fenómeno.

A principios del siglo XVII, este fenómeno parecía haberse vuelto de dominio público. Bacon escribió en 1620: "El agua, cuando se calienta ligeramente, se congela más fácilmente que el agua fría". Poco después, Descartes dijo: "La experiencia demuestra que el agua que se deja durante algún tiempo sobre el fuego se congela más rápidamente que otras aguas".

Hasta 1969, 500 años después del experimento de Marliani, un estudiante de secundaria en Tanzania llamado Mpemba descubrió nuevamente este fenómeno y lo publicó en la revista "New Scientist". Esta historia les dice a los científicos y profesores que no ignoren las observaciones de los no científicos y que no juzguen prematuramente.

En 1963, Mpemba hacía helados en la escuela. Mezcló leche hervida y azúcar. Originalmente debería haber esperado a que la leche se enfriara antes de guardarla en el frigorífico. Pero por falta de espacio en el frigorífico, metió la leche antes de que se enfriara. Para su sorpresa, descubrió que su leche caliente se congelaba antes que la de sus compañeros. Le preguntó al profesor de física por qué, y el profesor le dijo que debía haber estado mezclado con el helado de otros estudiantes, porque su observación era imposible.

Mpemba le creyó a su maestro en ese momento. Pero ese mismo año, conoció a un amigo suyo que hacía y vendía helados en el pueblo de Tanga. Le dijo a Mpemba que cuando hacía helado, ponía esos líquidos calientes en el congelador para que se congelaran más rápido. Mpemba descubrió que otros vendedores de helados en el municipio de Tanga tenían la misma experiencia práctica.

Más tarde, Mpemba aprendió las leyes de enfriamiento de Newton, que describen cómo los objetos calientes se vuelven fríos (bajo algunas suposiciones simplificadoras). Mpemba le preguntó a su maestro por qué la leche caliente se congelaba antes que la fría. El profesor también respondió que Mpemba debía estar confundido. Cuando Mpemba continuó discutiendo, el maestro dijo: "Todo lo que puedo decir es que esta es su física de Mpemba, no física ordinaria". A partir de entonces, el maestro y otros estudiantes usaron "Esas son las matemáticas de Mpemba" o "Esa es la física de Mpemba". Aprende" a criticar sus errores.

Pero más tarde, cuando Mpemba intentó experimentos con agua fría y caliente en el laboratorio de biología de la escuela, descubrió nuevamente que el agua caliente se congelaba primero.

Anteriormente, el profesor de física Dr. Osborne visitó la escuela secundaria de Mpemba. Mpemba le hizo esta pregunta. El Dr. Osborne dijo que no se le ocurría ninguna explicación, pero que intentaría el experimento más tarde. Cuando regresó al laboratorio, le pidió a un joven técnico que probara el experimento de Mpemba. Más tarde, el técnico informó que el agua caliente se congeló primero y agregó: "Pero continuaremos repitiendo este experimento hasta obtener los resultados correctos. Sin embargo, el informe del experimento arrojó los mismos resultados". En 1969, Mpemba y Osborne informaron de sus resultados.

Ese mismo año, en una de las coincidencias más comunes en la ciencia, el Dr. Kell escribió de forma independiente un artículo sobre la congelación del agua caliente antes que la del agua fría. Kell demostró que si se supone que el agua se enfría inicialmente por evaporación y se mantiene a una temperatura uniforme, el agua caliente perderá suficiente masa y se congelará primero. Por lo tanto, Kyle afirmó que este fenómeno era real (era un rumor en las ciudades canadienses en ese momento) y podía explicarse por la evaporación. Sin embargo, desconocía los experimentos de Osborne. Osborne midió la masa perdida y descubrió que la evaporación era insuficiente para explicar el fenómeno. En experimentos posteriores, se utilizaron recipientes sellados para eliminar los efectos de la evaporación, y aun así se descubrió que el agua caliente se congelaba primero.

En tercer lugar, varias explicaciones sobre el efecto Mpemba

¿Qué es el efecto Mpemba? Hay dos tazas de la misma forma que contienen el mismo volumen de agua. La única diferencia es la temperatura del agua. Ahora enfríe dos vasos de agua en el mismo ambiente. En determinadas condiciones, el agua con una temperatura inicial más alta se congelará primero, pero no siempre es así. Por ejemplo, el agua caliente a 99,9°C y el agua fría a 0,01°C se congelarán primero. El efecto Mpemba no se observa bajo ninguna temperatura inicial, forma del recipiente ni condiciones de enfriamiento.

La mayoría de la gente pensará que esto parece imposible, otros intentarán demostrar que es imposible. Esta prueba suele ser así: el agua a 30°C tarda 10 minutos en enfriarse y convertirse en hielo, el agua a 70°C tarda un poco en enfriarse hasta 30°C y tarda 10 minutos en enfriarse nuevamente hasta convertirse en hielo. . Debido a que el agua caliente debe hacer lo mismo que el agua fría, el agua caliente se congela lentamente. ¿Esta prueba es incorrecta?

El error en esta prueba es que supone implícitamente que la congelación del agua se ve afectada sólo por la temperatura promedio. Pero, de hecho, además de la temperatura media, también son importantes otros factores. Una taza de agua con una temperatura inicial uniforme de 70°C cambia cuando se enfría a una temperatura promedio de 30°C, que es diferente de una taza de agua con una temperatura inicial uniforme de 30°C. El primero tiene menos masa, menos gas disuelto y menos convección, lo que da como resultado una distribución desigual de la temperatura. Estos factores pueden cambiar el ambiente dentro del refrigerador y alrededor del contenedor. Estos cuatro factores se considerarán por separado a continuación.

1. Evaporación - En el proceso de enfriamiento del agua caliente a la temperatura inicial del agua fría, el agua caliente perderá parte de su humedad debido a la evaporación. La masa más pequeña facilita que el agua se enfríe y se congele. De esta forma el agua caliente podrá congelarse antes que el agua fría, pero con menos hielo. Si se supone que el agua disipa calor sólo mediante evaporación, los cálculos teóricos pueden mostrar que la evaporación puede explicar el efecto Mpemba. Esta explicación es creíble e intuitiva y la evaporación es, de hecho, un factor muy importante. Sin embargo, este no es el único mecanismo. La evaporación no puede explicar los experimentos realizados en contenedores cerrados. En un recipiente cerrado no puede escapar vapor de agua. Muchos científicos afirman que la evaporación por sí sola no es suficiente para explicar sus experimentos.

2. Gases disueltos - El agua caliente puede retener menos gases disueltos que el agua fría y, cuando hierve, una gran cantidad de gas se escapará de la superficie del agua. Los gases disueltos pueden cambiar las propiedades del agua. Ya sea facilitando la convección (y por lo tanto más fácil de enfriar), reduciendo la cantidad de calor necesaria para congelar una unidad de masa de agua o cambiando el punto de ebullición. Algunos experimentos respaldan esta explicación, pero ningún cálculo teórico.

3. Convección: debido al enfriamiento, el agua formará convección y la distribución de la temperatura será desigual. A medida que aumenta la temperatura, la densidad del agua disminuye, por lo que la superficie del agua está más caliente que el fondo del agua, lo que se denomina "parte superior caliente". Si el agua disipa el calor principalmente a través de la superficie, entonces el agua en una "superficie caliente" disipará el calor más rápido que el agua a una temperatura uniforme. Cuando el agua caliente se enfría a la temperatura inicial del agua fría, tendrá una superficie caliente, por lo que se enfriará más rápido que el agua con la misma temperatura promedio pero una temperatura uniforme. Aunque en los experimentos se pueden observar cimas calientes y la convección asociada, aún se desconoce si la convección puede explicar el efecto Mpemba.

Las cosas que te rodean: la diferencia final entre dos vasos de agua no tiene nada que ver contigo mismo, sino con el entorno que te rodea.

El agua con una temperatura inicial alta puede cambiar su entorno de maneras complejas, afectando el proceso de enfriamiento. Por ejemplo, si este vaso de agua se coloca sobre una capa de escarcha, la conductividad térmica de la escarcha será pobre. El agua caliente puede derretir esta escarcha, creando un mejor sistema de enfriamiento para usted. Obviamente esta explicación no es lo suficientemente general y muchos experimentos no colocan el recipiente sobre la capa de escarcha.

Finalmente, el sobreenfriamiento puede ser importante en este efecto. El sobreenfriamiento es el fenómeno de congelación del agua por debajo de 0°C. Un experimento encontró que el agua caliente está menos sobreenfriada que el agua fría. Esto significa que el agua caliente se congelará primero porque se congela a una temperatura más alta. Pero esto no explica completamente el efecto Mpemba, porque también necesitamos explicar por qué menos agua caliente la hace más fría.

En muchos casos, el agua caliente se congela antes que el agua fría, pero este fenómeno no se observa en todos los experimentos. Y, si bien hay muchas explicaciones, todavía no existe una explicación perfecta. Por tanto, el efecto Mpeba sigue siendo un misterio.