Efecto Mpemba

O efecto Mpemba ou paradoxo de Mpemba é o fenómeno físico que consiste no feito de que, en determinadas condicións, a auga morna se conxela máis rápido que a auga fría. O descubrimento deste efecto foi feito por un estudante de secundaria chamado Erasto Mpemba en Tanzania (África) en 1969. O fenómeno observouse durante a fabricación de xeados e diante de varios profesores.

Non hai unanimidade sobre o que é exactamente este efecto e baixo que circunstancias se produce. Existen rexistros de fenómenos semellantes dende a Antigüidade, pero con detalles insuficientes para que as afirmacións sexan verificadas. O fenómeno parece ser contrario á termodinámica, porén propuxéronse unha serie de posíbeis explicacións. Para unha comprensión máis profunda e a verificación do efecto Mpemba, é preciso un control rigoroso dunha ampla gama de parámetros iniciais, como a temperatura e composición da auga, as condicións ambientais e do recipiente, e unha definición máis precisa de "conxelación".

Gráfico que indica o tempo de conxelación de dúas mostras de auga a diferentes temperaturas.

Observacións históricas

Un comportamento semellante xa foi observado por científicos da Antigüidade como Aristóteles: "O feito de que a auga se quentase previamente contribúe a que se conxele máis rápido: deste xeito arrefríase máis rápido. Por iso moitas persoas, cando queren conxelar a auga rapidamente, comezan por metela na auga ao sol. Así, os habitantes de Pontus cando acampan sobre o xeo para pescar (abren un burato no xeo e despois pescan) botan auga quente arredor dos seus canizos para que se xee máis rápido, xa que usan o xeo como chumbo para fixar os canizos". A explicación de Aristóteles implicaba unha propiedade errónea que chamou antiperistase, definida como "o suposto aumento da intensidade dunha calidade como resultado de estar rodeada da súa calidade contraria".

Científicos da Idade Moderna como Francis Bacon sinalaron que "a auga lixeiramente morna conxélase máis facilmente que a auga que está completamente fría". René Descartes tamén describiu o efecto nunha das súas obras, e relacionou a explicación do efecto coa súa teoría dos vórtices.

Observacións de Mpemba

O efecto recibiu o nome do tanzano Erasto Mpemba. Descubriu este efecto por primeira vez en 1963 na escola secundaria Magamba en Tanganica cando conxelaba unha mestura de xeado que estaba quente nunha clase de cociña e notou que se conxelaba máis rápido que a mestura de xeado que estaba fría. Cando estudaba na escola secundaria Mkwawa en Iringa, o director da escola invitou o doutor Denis G. Osborne da Universidade de Dar Es Salaam para unha palestra sobre física. Após a conferencia, Erasto fíxolle a pregunta "Se tomas dous recipientes similares con igual volume de auga, un a 35 °C e a outra a uns 100 °C, e os metes nun conxelador, o que estea máis quente conxélase primeiro. Por que?" e logo os seus compañeiros e profesores mofáronse del. Despois dun tempo, o doutor Osborne realizou experimentos sobre o tema no seu lugar de traballo e confirmou as observacións de Mpemba. Despois publicaron os resultados xuntos en 1969.

Definición do efecto

Aínda que se menciona amplamente, hai poucas descricións modernas de cal é exactamente o efecto e como se pode observar. Non está claro se "conxelación" refírese ao punto no que a auga forma unha superficie visíbel de xeo ou ao punto no que todo o volume de auga se converte nun bloque sólido de xeo. Algúns experimentos mediron o tempo até que a auga chega a 0 °C.

Gráfico que mostra o tempo de conxelación de diferentes mostras de auga a diferentes temperaturas.

Non hai fontes fiábeis que indiquen exactamente como demostrar o efecto e en que condicións se produce exactamente.

Explicacións suxeridas

Osborne observou que a parte superior está máis quente que a parte inferior nun vaso ou probeta que se arrefría; a diferenza débese á convección. O bloqueo da transferencia de calor cunha pequena película de aceite retardou drasticamente o arrefriamento da auga. Tamén se considerou o efecto do aire disolto ao usar auga fervida. Os tubos de ensaio tamén foran illados da base.

A primeira vista, o efecto parece contrario á termodinámica, pero moitos efectos físicos estándar contribúen ao fenómeno, aínda que ningunha explicación é concluínte. Moitos efectos poden contribuír ao efecto, dependendo de como fose montado:

• Evaporación: a evaporación de auga máis quente reduce a masa de auga a conxelar. Como a evaporación é endotérmica, a masa restante de auga arrefríase polo vapor que elimina a calor dela, pero este efecto por si só probabelmente non sexa responsábel do fenómeno.
• Convección: Aceleración das transferencias de calor. Reducir a densidade da auga por debaixo de 4 °C tende a suprimir as correntes de convección que arrefrían a parte inferior da masa de auga; a menor densidade da auga quente reduciría isto, quizais mantendo un arrefriamento inicial máis rápido. A maior convección en auga morna tamén pode espallar os cristais de xeo máis rápido.
• Xeo: ten efectos illantes. A auga con temperaturas máis baixas tenderá a conxelarse desde a parte superior, reducindo a perda de calor pola radiación e a convección do aire, mentres que a auga máis quente tenderá a conxelarse dende o fondo e os lados debido á convección da auga.
• Superfusión (tamén sobrefusión, superenfriamento ou subfusión): Este fenómeno ocorre cando a auga arrefría por debaixo do seu punto de conxelación, 0 °C, sen formar xeo. A auga superenfriada pode permanecer en estado líquido mesmo por debaixo de 0 °C. O superenfriamento é menos probábel cando hai impurezas na auga que actúan como núcleos para a formación de cristais de xeo, facilitando así a conxelación.
• Calor latente de condensación: durante a fase de conxelación o recipiente máis frío está a recibir máis calor da condensación das moléculas de auga ao seu redor que o recipiente máis quente. Isto reduce a velocidade de arrefriamento.

Revisión recente do efecto

Un crítico da revista Physic World escribiu: "Aínda que o efecto Mpemba sexa real - se a auga quente ás veces pode conxelarse máis rápido que a fría- non está claro se a explicación sería trivial ou extraordinaria". Sinalou que as investigacións sobre o fenómeno precisan controlar un grande número de parámetros iniciais (incluíndo o tipo e a temperatura inicial da auga, os gases e outras impurezas disoltas, o tamaño, a forma e o material do recipiente e a temperatura do refrixerador) e precisa decidir sobre algún método particular para establecer o tempo de conxelación, que pode afectar a presenza ou ausencia do efecto Mpemba. A necesidade de experimentos de diferentes tipos pode explicar por que aínda non se entende ben o efecto.

A revista New Scientist recomenda comezar o experimento con recipientes a 35 °C e 5 °C para maximizar o efecto.

En 2012, a Royal Society of Chemistry realizou un concurso para pedir traballos que ofrezan explicacións sobre o efecto. Participaron máis de 22.000 persoas e Erasto Mpemba anunciou o traballo de Nikola Bregović como gañador.

Véxase tamén

Ligazóns externas

• Datos divertidos: como facer xeo rapidamente? Arquivado 05 de outubro de 2023 en Wayback Machine. - Efecto Mpemba! Arquivado 05 de outubro de 2023 en Wayback Machine.