Antes de explicar el fenómeno conocido como efecto Mpemba, es necesario dejar claro que: las leyes de la termodinámica si se cumplen. Es decir, el agua fría, por lo general, se congela más rápido.
No obstante, y aunque parezca contradictorio, se ha venido evaluando desde hace décadas que no siempre se da este hecho. En escenarios puntuales, el agua caliente puede alcanzar el punto de fusión antes que el agua fría.
Tabla de contenidos
Definición del efecto Mpemba
Para entender el efecto Mpemba, es importante comprender primero que la temperatura es una propiedad que se encarga de medir qué tan rápido se desplazan las moléculas de un fluido o un gas.
No todos los átomos se desplazan del mismo modo. Algunas se desplazan de un modo más lento y otras más rápido. Por ende, enfriar un cuerpo consiste en reducir la velocidad común con la que se desplazan las partículas.
El efecto Mpemba es uno de los enigmas más grandes de la física. Este resultado, se trata supuestamente de una contradicción en la física que ha sido estudiado desde hace muchos años por Aristóteles.
El científico griego describió como algunos residentes de lo que hoy en día es Turquía regaban las estacas de sus empalizadas con agua caliente para que se congelaran rápidamente. A pesar de que este efecto ha sido asumido como un hecho, la comunidad científica ha demorado en llegar a un consenso con relación a su explicación.
Se trata básicamente de un fenómeno singular y aparentemente sin lógica, pero verdadero. Durante este hecho, el agua caliente es capaz de conseguir el punto de congelación mucho más rapidamente que el agua fría. Esta rareza fue estudiada y documentada por primera vez por Aristóteles. Sin embargo, fue en la década de los 70 cuando se le otorgó el nombre gracias a un estudiante proveniente de Tanzania.
La extraña anécdota del helado
Este estudiante de nombre Erasto Bartholomeo Mpemba, observó que la composición caliente empleada en la elaboración de helados se congelaba mucho más rápido que la mezcla fría. Esto llamó muchísimo su atención e hizo publicaciones de su hallazgo, lo cual permitió que se diera a conocer este efecto hasta la actualidad.
Este fenómeno le debe su nombre al joven tanzano quien realizó este descubrimiento por error en el año 1963. Esto sucedió mientras preparaba un helado en la escuela secundaria de la que era estudiante para entonces.
Para elaborar el helado, se hervía leche, se añadía azúcar y luego se dejaba enfriar a temperatura ambiente. Posteriormente colocaba la mezcla en recipientes para congelar en el refrigerador.
En una de esas ocasiones, Mpemba se encontraba hirviendo leche para la preparación del helado. Un compañero haría lo mismo, sin embargo, optó por hacer la mezcla con leche fría y colocarla a congelar directamente.
Mpemba, al contrario, prefirió congelar la leche caliente. Luego de una hora y media, verificaron que el recipiente con leche caliente ya se había congelado mientras que el otro con leche fría, aún estaba líquida.
Al consultarlo con un profesor de física, este dijo que era improbable que sucediera un hecho de esas características. No obstante, con el tiempo, Mpemba supo que los vendedores callejeros de helado suelen colocar leche caliente en la mezcla para que se congele más rápido.
Una nueva explicación para el efecto Mpemba
A pesar de que hasta el día de hoy se han venido planteando diversas teorías para tratar de explicar lógicamente el efecto Mpemba, la realidad es que todas han obtenido en la mayoría de los casos la oposición de alguno de los científicos. Esto ha ocurrido, ya que, los investigadores han hallado ciertas discordancias que han impedido que exista a la fecha una conclusión unánime para explicar el fenómeno.
Con base en ello, un grupo de investigadores de Singapur han examinado el efecto y han logrado obtener algunas conclusiones que podrían ser la explicación decisiva del efecto Mpemba. De acuerdo con un artículo publicado, el incremento de la separación entre las partículas de agua (H2O) con el calor, ocasiona que los enlaces de hidrógeno que se constituyen entre ellas se extiendan, a lo que va relacionado una acumulación de energía en esta conexión.
Mientras en agua se enfría sucede lo opuesto, los corpúsculos de agua se van uniendo entre ellos cada vez más, lo cual permite que se descargue energía y se lleve a cabo un fenómeno de enfriamiento o pérdida de calor.
De esto se concluye que, al contar con un mayor número de puentes de hidrógeno expandidos, el agua caliente acumula mayor cantidad de energía que la fría. Al exponerse a temperaturas con carga negativa y expulsar el total de la energía, se enfría mucho más rápido que el agua en estado más frío. Por ello se congela con más velocidad.
El misterioso fenómeno físico
Si se tienen dos recipientes y en uno de ellos se coloca agua a 95º y en el otro se añade agua a 50º. Posteriormente se colocan en un refrigerador a la vez ¿Cuál de los dos se alcanzará el punto de fusión primero?
Si se responde a esta interrogante usando sentido común, estará errado. No se congelará en el mismo momento y tampoco lo hará en primer lugar el recipiente con agua a 50º. El agua más rápida en llegar al punto de fusión será la más caliente.
Todo este procedimiento está vinculado con el superenfriamiento. En ocasiones el agua no se congela a 0ºC y es capaz de mantenerse en estado líquido a -20ºC. En estas raras circunstancias, cuando se genera la congelación se constata a una rapidez mucho mayor que la común.
El agua caliente es más propensa a congelarse por una interesante razón. Si la temperatura aumenta, mientras más aumente, menos burbujas gaseosas tendrá el agua.
¿Qué relación guarda con el enfriamiento?
Las burbujas intervienen como agarraderas para que las moléculas de agua comiencen a ubicarse y puedan constituir una estructura cristalina de hielo. Cuantas menos agarraderas de estas tenga el agua, más sencillo es que permanezca en estado líquido por debajo del punto de fusión.
Es importante considerar además que, el hielo no se hunde en el agua en estado líquido. Por ejemplo, una laguna congelada está en la superficie, y la capa de hielo va creciendo hacia el fondo. Esta capa de hielo funciona como aislante de frío para el resto del agua, lo que causa que se congele más lentamente.
No obstante, en el escenario de agua superenfriada, como están en su totalidad en una temperatura por debajo de 0 grados centígrados, cuando inicia la congelación se produce de golpe. En este caso, ganará la carrera a la masa de agua que se transforma en hielo por el proceso convencional.
El efecto Mpemba es verdadero
El joven de Tanzania no fue el único en descubrir este extraño hecho. Los científicos Bechhoefer y Kumar mencionan que Aristóteles en su tratado sobre meteorología ya hacía hincapié en este curioso fenómeno.
En este sentido, ambos investigadores procuraban visualizar cómo se origina el efecto Mpemba en diversos escenarios controlados. Ante la ausencia de conciliación entre la comunidad científica sobre cómo se genera este fenómeno en el agua y que esta rareza ya había sido tipificada en otras sustancias en transiciones de líquido a sólido, los científicos acudieron a un nuevo sistema para analizar el efecto.
En sustitución del agua, los investigadores emplearon esferas de vidrio. No estudiaron el fenómeno de fusión sino el fenómeno de enfriamiento. Estos escenarios responden a la necesidad de extinguir la convección natural o evaporación como elementos concluyentes del efecto Mpemba.
La temperatura de las bolas era modificada a través de la colocación de láser al momento en que las helaban en el líquido. Esto se llevó a cabo con el objetivo de determinar cuánto tiempo tardaban en conseguir el equilibrio térmico. Esto se refiere a que, el agua y las esferas estuvieran en la misma temperatura.
Hicieron esta prueba alrededor de 1000 veces, con algunas variantes en las circunstancias de los ensayos. según surgían estas variaciones, en algunos casos se generó el efecto Mpemba. En palabras más simples, esferas con mayor temperatura se enfriaron mucho más rápido que otras esferas más frías.
Mpemba contra Newton
Aparentemente, nadie dentro de la comunidad científica evaluó la posibilidad de estudiar la manera en que este fenómeno entraba en disputa con las demás teorías existentes. No es raro, ya que resulta realmente contraintuitivo y, como se ha podido ver, bastante complejo de explicar y demostrar.
A raíz del artículo de Mpemba, se produjo un gran interés por este efecto, que ha sido tratado desde diversas perspectivas a lo largo del tiempo. La búsqueda de la causa en sí, es mucho más atractiva para los investigadores que la explicación del fenómeno.
Este fenómeno objeta inclusive la Ley de enfriamiento de Newton la cual plantea que el porcentaje de calor perdido por parte de un cuerpo es similar a la disimilitud entre la temperatura del cuerpo en sí y de su entorno.
Posibles causas del efecto
Como ya se ha venido mencionando, hasta la actualidad no existe un consenso sobre la explicación que pueda tener. No obstante, se han señalado algunas posibles causas entre las que se encuentran:
Evaporación
El agua caliente tiene la facultad de evaporarse mucho más pronto que el agua fría. Por esta razón habrá menor cantidad de agua para congelar al momento en que se haya alcanzado el punto de fusión.
Gases diluidos
El agua helada posee una mayor proporción de gases diluidos que el agua hirviendo. Las moléculas de los gases en dilución aumentan la densidad del agua fría obstaculizando las corrientes de convección. La existencia de gases diluidos también genera un declive del punto de congelación.
Aumento de la convección
En el agua caliente se genera una mayor distinción de temperatura entre el centro de la vasija donde el líquido permanece caliente y la zona de contacto con las paredes que se enfría más rápido. Esta diferencia de temperatura beneficia las corrientes de convección.
Escarcha
Posee efecto aislante. El agua que se encuentra a temperatura menor tiende a enfriarse de la parte superior. Esto reduce en mayor escala la pérdida de calor y convección del aire y la pérdida del calor. Por su parte, el hirviendo se congelará desde abajo y a los costados a causa de la convección del agua.
Conducción térmica
El frasco que contiene agua con mayor temperatura puede disolverse mediante una cobertura escarchada actuando como aislador abajo del recipiente. Esto permite que la vasija tenga un contacto inmediato con una cubierta interior considerablemente más helada que la escarcha. El recipiente entonces reposa sobre una superficie mucho más helada que el agua original. Por ello, se enfría mucho más rápido a raíz de este punto.
Enlaces hidrógenos
En el agua caliente o tibia, las uniones de hidrógeno suelen ser mucho más frágiles.
Cristalización
Otra explicación señala que la población relativamente mayor de hexámeros del agua en agua caliente podría ser causante de la cristalización más veloz.
Solutos
Se refiere a los efectos causados por carbonato de magnesio, carbonato de sodio, entre otros.
Transferencia de calor causada por microburbujas
El proceso de ebullición causa la aparición de pequeñas burbujas en el agua. Estas microburbujas son capaces de permanecer flotando de forma estable cuando el agua se ha enfriado. Luego actúan por convección para transmitir el calor más rápido a medida que el agua se va enfriando.
Efectos análogos
Otros escenarios en los cuales es posible conseguir grandes resultados más velozmente que pequeños resultados son:
· Calor latente: transformar el hielo a 0º C en agua necesita la misma porción de energía que calentar agua de 0º C a 80º C.
· Efecto Leidenfrost: las calderas de menor concentración de calor en ocasiones son capaces de evaporar el agua más rápidamente que las calderas con mayor nivel de calor.
Conclusiones
La investigación de este fenómeno, además de brindar mejoras al conocimiento, podría ofrecer también aplicaciones a mediano o largo plazo. De hecho, un grupo de científicos está planeando la ejecución de más experimentos que puedan dar sustento a la teoría. Aprender a emular y emplear este efecto puede tener grandes beneficios en la vida diaria, según investigadores.
Por ejemplo, podría utilizarse para la creación de artefactos electrónicos en los que se quisiera obtener un enfriamiento más rápido.
Referencias
https://wikioes.icu/wiki/Mpemba_effect
Efecto Mpemba
https://www.muyinteresante.es/ciencia/articulo/el-misterioso-efecto-mpemba-441462969801
https://www.vix.com/es/btg/curiosidades/5021/hay-una-explicacion-definitiva-del-efecto-mpemba
https://www.meteored.mx/noticias/ciencia/efecto-mpemba-el-agua-caliente-se-congela-mas-rapido-que-la-fria.html
https://www.iagua.es/blogs/agueda-garcia-durango/efecto-mpemba-que-agua-caliente-se-congela-mas-rapido-que-agua-fria
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