Misterios de la física: ¿el agua caliente se congela antes que el agua fría?

agua hirviendoEl fenómeno se conoce como el ‘efecto Mpemba’, llamado así por Erasto Mpemba, un joven de Tanzania que revivió el problema a finales de la década de 1960. Junto con sus compañeros de colegio, Mpemba estaba preparando algunas porciones de helado. El congelador de la escuela no era muy grande y los alumnos tenían prisa por congelar sus preparaciones lo antes posible.

Mpemba decidió no esperar a que el alimento se enfriara después de hervirlo. Así que lo puso directamente en el congelador. Aproximadamente una hora y media después, la mezcla estaba casi congelada. Por el contrario, las preparaciones a base de leche y azúcar que sus compañeros, para ahorrar tiempo, no habían hervido, aún no se habían solidificado. Mpemba le pidió una explicación al profesor de física, pero este le dijo que probablemente estaba confundido, porque era imposible.

Tiempo después, Mpemba entró en contacto con el físico británico Denis Osborne y le hizo una pregunta muy concreta: “Si llenas dos recipientes con la misma cantidad de agua, uno a 35°C y otro a 100°C, y los metes en un congelador, el agua a 100°C se congela primero. ¿Por qué?». Osborne no pudo dar una respuesta de inmediato, pero, intrigado por la cuestión, involucró a algunos colaboradores en la realización de unos experimentos que llevaron a observar el fenómeno.

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Una duda antigua

Esta historia permitió redescubrir observaciones similares ya realizadas en el pasado sobre las propiedades del agua. Aristóteles, hace más de dos milenios, ya se había dado cuenta de que algunos pescadores usaban agua tibia para formar rápidamente hielo en las cañas que usaban para pescar en los lagos helados.

En el siglo XVI, Francis Bacon escribió en su tratado ‘Novum Organum’ que “el agua ligeramente tibia se congela antes que el agua fría”. Más tarde, Descartes llegó a conclusiones similares. El surgimiento del método científico en los siglos siguientes supuso un gran avance en temas mucho más amplios y con mayores implicaciones. Por tanto, la historia del agua caliente que se congela más rápido cayó en el olvido. Hasta el famoso helado de Tanzania.

Denis Osborne fue uno de los primeros en hacer experimentos de forma sistemática, pero sin poder replicar de manera convincente los resultados. No es fácil establecer experimentos de física capaces de analizar con precisión los mecanismos de la congelación. Las variables son muchas y las variaciones son continuas hasta la congelación completa de la sustancia analizada.

De hecho, cuando se mete en el congelador un recipiente con agua dentro, pasa un poco de todo. El agua que está en contacto con las paredes del recipiente se enfría mucho más rápido que la que se encuentra en el centro del recipiente. La temperatura en el líquido ya no es uniforme y fluctúa continuamente. Hasta la congelación completa que restablece una condición de equilibrio.

Las explicaciones de la física

Existen diversas teorías para explicar el fenómeno. Se dice que el agua caliente se congela más rápido porque parte de ella se evapora. Esto reduce la cantidad total de líquido en el recipiente colocado en el congelador. Otra teoría es que, al estar muy caliente, el recipiente derrite la capa de escarcha que suele encontrarse en los estantes del congelador. El recipiente entra así en contacto directo con el metal frío, acelerando el paso del calor.

Otros argumentan que en el agua caliente están presentes movimientos de convección (la parte caliente tiende a subir, mientras que la fría desciende) que hacen más eficiente el intercambio de calor con el exterior. Estos movimientos también serían responsables de una congelación más uniforme. De hecho, evitarían el efecto que se observa en invierno en los lagos helados. Donde la superficie se congela mucho más rápido que la masa de agua subyacente, aislándola del ambiente externo.

El problema de definir con certeza qué determina el efecto Mpemba deriva en gran medida de las propiedades particulares del agua. Es menos densa cuando está en estado sólido que cuando es líquida. Y en algunas circunstancias el estado sólido y líquido coexisten a la misma temperatura. Sin embargo, algunos investigadores creen haber observado el mismo efecto en otras sustancias con ciertas propiedades en común con el agua.

Una investigación publicada en 2017 en ‘PNAS’ intentó elaborar un modelo sobre la dinámica de las partículas involucradas en el fenómeno. El estudio planteó la hipótesis de condiciones en las que los cambios de estado podrían ser más repentinos de lo imaginado. Esto llevó a otros grupos de científicos a investigar el problema y a descubrir diferentes materiales que parecen estar sujetos al mismo efecto.

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Un misterio aún abierto

Sin embargo, no todos están convencidos de que estas investigaciones hayan demostrado que el fenómeno existe tal como se ha descrito. Y que puede afectar a diferentes sustancias. Los críticos dicen que las explicaciones a menudo son físicamente poco convincentes. Al menos teniendo en cuenta lo que la física ha aprendido a lo largo de los siglos sobre el comportamiento de la materia.

En 2016, un grupo de investigación del Reino Unido realizó un experimento que demostró lo difícil que era realizar mediciones relacionadas con el efecto Mpemba. Se midió el tiempo que tardaba el agua en llegar a 0°C y se descubrió que los valores de temperatura dependían de dónde se colocaba el termómetro. Si se comparan las temperaturas medidas en un recipiente con agua caliente y en uno con agua fría con un termómetro a la misma altura, el efecto Mpemba no es evidente.

Sin embargo, fue suficiente mover el termómetro del recipiente más caliente unos milímetros para tener diferentes lecturas, produciendo resultados falsos sobre el efecto. Por lo tanto, el grupo de investigación concluyó que incluso un margen de error mínimo puede hacer que los resultados de las pruebas sobre el fenómeno no sean seguros. El efecto Mpemba es un caso particularmente interesante para la física, porque permite explorar las características de los sistemas que no están en equilibrio. Sobre los cuales aún no existen teorías muy sólidas.

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Imágenes | Thomas Kinto/Unsplash, Lanju Fotografie/Unsplash, Joe Pregadio/Unsplash

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