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¿Cómo puede el agua caliente congelarse antes que la fría?

Desde los tiempos de Aristóteles, Bacon y Descartes, se conoce un fenómeno físico inusual, pero sólo en 1963 un joven tanzano redescubrió este efecto asombroso. ¿En qué circunstancias el agua caliente logra una congelación más rápida que el agua fría?

efecto mpemba
Tal parece magia: el efecto Mpemba permite observar un fenómeno físico que deja asombrado al espectador.

Anterior a su redescubrimiento, el efecto Mpemba era estudiado como una curiosidad académica, sin analizarlo de manera más seria. En 1963 el tanzano Erasto Mpemba lo trajo de vuelta tras elaborar un helado para un trabajo de física de la escuela. El joven de 13 años explicó a su profesor que la mezcla de helado más caliente se congelaba más rápido que la fría. Así fue que tomó su nombre el fenómeno que describe cómo, bajo ciertas temperaturas, el agua más cálida se congela antes que la más fría.

Este efecto, que parece ir en contra de la intuición, contradice incluso la Ley del enfriamiento de Newton, cuyo fundamento se basa en que la tasa de pérdida de calor de un cuerpo es proporcional a la diferencia entre la temperatura del cuerpo y la de sus alrededores.

En muchos países nórdicos, se acostumbra a engrosar las pistas de patinaje con agua cálida, y se sabe que las cañerías de agua caliente son más propensas a reventar que las de agua fría. En la práctica, es bien conocido el fenómeno, pero no en la teoría, y eso ha tratado de cambiar la comunidad científica en las últimas décadas.

La física detrás del efecto: ¿cómo se explica?

Este fenómeno poco intuitivo se debe a las causas iniciales asociadas al sistema:

  1. Mientras más caliente sea el agua, más rápido se moverá desde el centro del recipiente hacia sus paredes o superficie, lo cual provocará su enfriamiento;
  2. Debido a las altas temperaturas del agua, se propiciará antes su evaporación;
  3. El agua caliente presenta menos gases, por lo que se favorecerá la congelación, teniendo en cuenta que los gases la inhiben.

Actualmente se conoce que el efecto Mpemba ocurre con mayor probabilidad si la diferencia de temperatura es superior a 30 °C. En 2020, los investigadores John Bechhoefer y Avinash Kumar de la Universidad Simon Fraser (Canadá) pudieron comprobar cómo funciona teóricamente el efecto con un modelo experimental simplificado.

Para explicarlo, usaron en vez de agua, esferas de vidrio. Además no analizaron el fenómeno de congelación, sino el de enfriamiento, para eliminar así la evaporación o la convección natural, que son factores elementales del efecto Mpemba.

Realizaron más de 1.000 pruebas en las que la temperatura de las esferas de vidrio era afectada por la aplicación de láser a medida que eran enfriadas en agua, para medir el tiempo en alcanzar el equilibrio térmico. Finalmente llegaron a la esperada conclusión: las esferas a mayor temperatura se enfriaron antes que otras esferas más frías en comparación.

También ocurre al inverso...

Tres años antes de esta demostración, investigadores de la Universidad Carlos III de Madrid, la Universidad de Extremadura y la de Sevilla comprobaron que el mismo fenómeno no solo se da en el agua, sino también en fluidos granulares. Además de validar el efecto de Mpemba, comprobaron que lo más frío puede calentarse antes, es decir, su inverso.

En tiempos de verano, prueba a rellenar la cubitera con agua caliente y colócala dentro del congelador, ¡verás cómo obtienes hielos más rápidamente!

Los autores del trabajo acordaron que la forma más sencilla de aparición del fenómeno es cuando las velocidades de las partículas antes del calentamiento o del enfriamiento tienen una distribución determinada, pudiendo ser con una gran dispersión alrededor del valor medio.

Pero, ¿qué objetivo tienen estos estudios? Brindar aplicaciones prácticas al mundo tecnológico como dispositivos con un enfriamiento rápido.