A lo largo de los años, he descubierto que algunos de los enfoques de sentido común que aprendimos sobre la ciencia no se alinean con la realidad. Y eso es algo maravilloso, porque apunta a la mecánica más profunda de nuestro mundo y las sorpresas que esto nos trae. Pero estas sorpresas pueden ser difíciles de aceptar, especialmente si las razones del comportamiento inesperado siguen siendo un misterio. El efecto Mpemba, aunque todavía no es universalmente aceptado, nos señala un comportamiento intrincado y, a menudo, enrevesado de sistemas complejos.
Principios
El efecto lleva el nombre de Erasto Mpemba, un entonces adolescente en 1963 que vivía en Tanzania, pero el efecto se conoce desde que Aristóteles en 350 a. C. Mpemba estaba en clase haciendo una mezcla de helado y el espacio en el refrigerador era limitado. En lugar de esperar a que la mezcla se enfriara un poco, puso la mezcla aún caliente en el refrigerador. Cuando fue a revisarlo, notó que se había congelado más rápido que el resto, un hallazgo aparentemente contradictorio. La ley de enfriamiento de Newton nos dice que la tasa de enfriamiento es proporcional a la diferencia de temperatura entre el sujeto y el mundo que lo rodea, pero este hallazgo contrasta con las observaciones (Lucy, Ouellette, Stoye, Mann).
Cuando Denis Osborne, profesor visitante del University College Dar es Salaam, pasó por la escuela, Mpemba preguntó qué había visto. Juntos, investigaron más y en 1969 publicaron un artículo al respecto, demostrando que el efecto parece existir. A lo largo de los años, la gente ha tratado de replicar los resultados, con una amplia variedad de respuestas. Por qué sería este el caso? (Ouellette, Stoye, Mann)
Condiciones difíciles
Por extraño que parezca, el agua es extraordinariamente compleja. Es simplemente H 2 O para muchas personas, pero la mecánica de estas moléculas es bastante diversa y por muchas razones. En lugar de enumerarlos, repasaremos cómo puede jugar cada propiedad única para explicar este efecto Mpemba. Algo a tener en cuenta aquí es que es muy poco probable que una sola cosa explique el efecto. Como verá, cada una de estas líneas de investigación tiene algunos resultados mixtos, lo que indica que el efecto es probablemente un enfoque multiparamétrico.
Todos los fluidos se someten a algún tipo de transferencia de calor por convección, donde el material caliente se eleva y el material frío se hunde. Crea efectivamente un sistema giratorio de distribución de energía en un medio dado. El material caliente en la parte superior se evapora y, en el proceso, libera material y reduce la energía del fluido restante. Algunas teorías sugieren que esta transferencia de calor por convección podría desempeñar varias funciones al explicar el efecto (Ouellette, Lucy, Stoye, Edwards, Mann).
La evaporación en realidad podría eliminar algo de agua, dejando menos para congelar. Además, el agua que queda de la pérdida de calor será más fría y se hundirá hasta el fondo, lo que facilitará la congelación de los niveles inferiores. Sin embargo, todo esto solo debería funcionar para contenedores abiertos, pero el efecto se ha visto también para contenedores cerrados (Ibíd.).
El sobreenfriamiento es el proceso por el cual los líquidos mantienen su naturaleza por debajo del punto de congelación común del punto de transferencia líquido-sólido. Algunos sugieren que el agua más caliente no puede mantener un comportamiento de sobreenfriamiento y, por lo tanto, se congela más rápido. Pero también se podría argumentar que las impurezas potenciales en el agua podrían iniciar el proceso de congelación, permitiendo que pasen los sitios de cristalización del hielo (Ouellette, Stoye, Edwards).
Es por eso que James Brownridge (oficial de seguridad radiológica de la Universidad Estatal de Nueva York) ha realizado cientos de experimentos con agua sobreenfriada. Su configuración involucra dos muestras de agua iguales a la misma temperatura inicial que se colocan en un congelador y luego se observa cuál se congela primero. Podríamos considerar que el que tiene mayores impurezas. Luego, las muestras se descongelan y una se mantiene a temperatura ambiente mientras que la otra se calienta a 80 grados C, luego ambas se colocan nuevamente en el congelador en sus lugares originales (Ouellette, Stoye, Edwards).
Descubrió que la muestra que se congeló primero a menudo era también la muestra calentada que se congeló antes que la otra (siempre y cuando en la primera congelación lo hicieran con una diferencia de 5 grados C). De hecho, las impurezas parecían estar limitando el comportamiento de sobreenfriamiento, no favoreciendo esta explicación (Ibíd.).
Otras explicaciones tienen problemas similares: suenan bien pero, en última instancia, no se pueden confirmar o tienen problemas complicados. Los enlaces de hidrógeno podrían romperse más fácilmente con agua tibia y facilitar la congelación, pero ninguna evidencia apunta a esto. La formación de escarcha en la parte superior del agua podría crear una capa aislante que dificultaría cruzar el umbral final, pero esto también carece de evidencia (Ouellette, Mann, Edwards, Stoye).
Tal vez, en cambio, el problema radica en nuestro concepto de congelación en hielo. 0 grados C no es el punto de congelación real, sino más bien una ubicación promedio donde comienza el proceso de congelación. ¿Cuándo termina el proceso? Algunos dicen que el objeto se vuelve sólido, otros dicen que la iniciación es suficiente. Y el lugar donde mide este proceso en su muestra también tiene un gran impacto en los resultados (Ibíd.).
Curtosis y Equilibrio
Algunos de los mejores avances nos muestran que debemos repensar la situación en términos de qué tan lejos estamos del equilibrio térmico. Antonio Lasanta (Universidad Carlos III de Madrid) y su equipo encontraron que el efecto estaba correlacionado con la velocidad de las moléculas en la muestra. Considere la temperatura como una indicación de la velocidad promedio de las moléculas. Algunos pueden estar muy por debajo del promedio, con posibilidades más rápidas y más lentas en juego (Ouellette, Lucy, Stoye, Mann).
Usando el proceso de curtosis (un método estadístico para cuantificar qué tan alejadas están nuestras desviaciones del promedio), se demostró que algunos de esos rezagados que son mucho más bajos que el promedio pueden, de hecho, iniciar el proceso de congelación para el resto. . Los sistemas más calientes parecen tener más caminos abiertos que los más fríos (Ibíd.).
El trabajo de Avinash Kumar y John Bechhoefer (Universidad Simon Fraser en Burnaby, Canadá) también apunta a este resultado. Utilizaron perlas de vidrio de 1,5 micrómetros de tamaño para funcionar como una molécula proxy, las calentaron con láser y luego las pusieron en agua para que se enfriaran. Le dio a los científicos una imagen para medir el movimiento y ver la tasa de enfriamiento de diferentes sistemas. También repartieron las cuentas de forma diferente, algunas calentadas en general y otras muy localizadas. Descubrieron que cuanto más fuera de equilibrio estaba un sistema, más pronunciada terminaba siendo la tasa de enfriamiento. ¿Esto realmente se traduce en agua? Es difícil decirlo en este momento, pero los resultados son alentadores (Conover).
Entonces, tenemos una ruta potencial para explicar un fenómeno conocido desde la antigüedad pero que ha escapado al análisis fácil desde entonces. Al explorar cómo todas las opciones aquí impactan en el equilibrio, finalmente podemos llegar a un consenso sobre el misterioso efecto Mpemba.
Fuente:
Conover, Emily. “A new experiment hints at how hot water can freeze faster than cold.” sciencenews.org. Society for Science & the Public, 07 Aug. 2020. Web. 25 Aug. 2022.
Edwards, Lin. “Mpemba effect: Why hot water can freeze faster than cold.” phys.org. Science X Network, 26 Mar. 2010. Web. 26 Aug. 2022.
Lucy, Michael. “The Mpemba effect: why hot water freezes faster than cold.” cosmosmagazine.com. Cosmos, 22 Oct. 2021. Web. 25 Aug. 2022.
Mann, Adam. “Controversy Continues Over Whether Hot Water Freezes Faster Than Cold.” quantamagazine.org. Quanta, 29 Jun. 2022. Web. 26 Aug. 2022.
Ouellette, Jennifer. “When cold warms faster than hot.” physicsworld.com. IOP, 01 Dec. 2017. Web. 25 Aug. 2022.
Stoye, Emma. “The Mpemba effect: fact or fiction?” chemistryworld.com. Royal Society of Chemistry, 09 Nov. 2017. Web. 25 Aug. 2022.