Efecto Mpemba

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El efecto Mpemba es el nombre que se le da a la observación de que un líquido (normalmente agua ) que inicialmente está caliente puede congelarse más rápido que el mismo líquido que comienza frío, en condiciones similares. Existe desacuerdo sobre su base teórica y los parámetros necesarios para producir el efecto. ^{[1] [2]}

El efecto Mpemba recibe su nombre del tanzano Erasto Bartholomeo Mpemba , quien lo describió en 1963 cuando era estudiante de secundaria . El descubrimiento inicial y las observaciones del efecto se remontan a la antigüedad; Aristóteles dijo que era de conocimiento público. ^[3]

El fenómeno, cuando se toma como "el agua caliente se congela más rápido que la fría", es difícil de reproducir o confirmar porque está mal definido. ^[4] Monwhea Jeng propuso una redacción más precisa: "Existe un conjunto de parámetros iniciales y un par de temperaturas, de modo que dados dos cuerpos de agua idénticos en estos parámetros, y que difieren sólo en temperaturas iniciales uniformes, el caliente se congelará antes". ^[5]

Incluso con la definición de Jeng, no está claro si "congelación" se refiere al punto en el que el agua forma una capa superficial visible de hielo, el punto en el que todo el volumen de agua se convierte en un bloque sólido de hielo, o cuando el agua alcanza los 0 °C (32 °F; 273 K). ^[4] La definición de Jeng sugiere formas simples en las que se podría observar el efecto, como si una temperatura más cálida derritiera la escarcha en una superficie que se enfría, aumentando así la conductividad térmica entre la superficie que se enfría y el recipiente de agua. ^[4] Alternativamente, el efecto Mpemba puede no ser evidente en situaciones y bajo circunstancias que a primera vista parecen calificar. ^[4]

Los científicos antiguos, entre ellos Aristóteles , describieron diversos efectos del calor sobre la congelación del agua : «El hecho de que el agua haya sido calentada previamente contribuye a que se congele rápidamente, pues así se enfría antes. Por eso mucha gente, cuando quiere enfriar el agua rápidamente, empieza por ponerla al sol». ^[6] La explicación de Aristóteles implicaba la antiperistasis : «... el supuesto aumento de la intensidad de una cualidad como resultado de estar rodeado por su cualidad contraria». ^{[ cita requerida ]}

Francis Bacon observó que "el agua ligeramente tibia se congela más fácilmente que aquella que está completamente fría". ^[7] René Descartes escribió en su Discurso del método , relacionando el fenómeno con su teoría del vórtice : "Se puede ver por experiencia que el agua que se ha mantenido en el fuego durante mucho tiempo se congela más rápido que otras, la razón es que aquellas de sus partículas que son menos capaces de dejar de doblarse se evaporan mientras el agua se calienta". ^[8]

El científico escocés Joseph Black investigó un caso especial del fenómeno comparando agua previamente hervida con agua no hervida; ^[9] descubrió que el agua previamente hervida se congelaba más rápidamente. Se controló la evaporación . Habló sobre la influencia de la agitación en los resultados del experimento, señalando que agitar el agua no hervida hacía que se congelara al mismo tiempo que el agua previamente hervida, y también observó que agitar el agua muy fría no hervida hacía que se congelara inmediatamente. Joseph Black luego analizó la descripción de Daniel Gabriel Fahrenheit sobre el sobreenfriamiento del agua, argumentando que el agua previamente hervida no podía sobreenfriarse tan fácilmente. ^{[ cita requerida ]}

El efecto recibe su nombre del científico tanzano Erasto Mpemba . Lo describió en 1963 en el tercer curso de la escuela secundaria Magamba, en Tanganyika ; al congelar una mezcla de helado caliente en una clase de cocina, se dio cuenta de que se congelaba antes que una mezcla fría. Más tarde se convirtió en estudiante de la escuela secundaria Mkwawa (anteriormente escuela secundaria) en Iringa . El director invitó al Dr. Denis Osborne de la Universidad de Dar es Salaam para que diera una conferencia sobre física. Después de la conferencia, Mpemba le preguntó: "Si tomas dos recipientes similares con volúmenes iguales de agua, uno a 35 °C (95 °F) y el otro a 100 °C (212 °F), y los pones en un congelador, el que comenzó a 100 °C (212 °F) se congela primero. ¿Por qué?" Al principio, Mpemba fue ridiculizado tanto por sus compañeros de clase como por su profesor. Sin embargo, tras la consternación inicial, Osborne experimentó con el tema en su lugar de trabajo y confirmó el hallazgo de Mpemba. Publicaron los resultados juntos en 1969, mientras Mpemba estudiaba en el College of African Wildlife Management . ^[10]

Mpemba y Osborne describieron la colocación de muestras de 70 ml (2,5 imp fl oz; 2,4 US fl oz) de agua en vasos de precipitados de 100 ml (3,5 imp fl oz; 3,4 US fl oz) en la hielera de un refrigerador doméstico sobre una lámina de espuma de poliestireno. Demostraron que el tiempo necesario para que comenzara la congelación era más largo con una temperatura inicial de 25 °C (77 °F) y que era mucho menor alrededor de los 90 °C (194 °F). Descartaron la pérdida de volumen de líquido por evaporación y el efecto del aire disuelto como factores significativos. En su configuración, se descubrió que la mayor parte de la pérdida de calor se debía a la superficie del líquido. ^[10]

David Auerbach ha descrito un efecto que observó en muestras en vasos de vidrio colocados en un baño de enfriamiento líquido. En todos los casos, el agua se sobreenfrió, alcanzando una temperatura de típicamente -6 a -18 °C (21 a 0 °F; 267 a 255 K) antes de congelarse espontáneamente. Se observó una variación aleatoria considerable en el tiempo requerido para que comenzara la congelación espontánea y, en algunos casos, esto dio como resultado que el agua que comenzó más caliente (parcialmente) se congelara primero. ^[11]

En 2016, Burridge y Linden definieron el criterio como el tiempo necesario para alcanzar los 0 °C (32 °F; 273 K), realizaron experimentos y revisaron los trabajos publicados hasta la fecha. Observaron que la gran diferencia que se afirmó originalmente no se había replicado y que los estudios que mostraban un efecto pequeño podrían estar influenciados por variaciones en la posición de los termómetros: "Llegamos a la conclusión, un tanto triste, de que no hay evidencia que respalde observaciones significativas del efecto Mpemba". ^[1]

En experimentos controlados, el efecto puede explicarse completamente por el subenfriamiento y el tiempo de congelación estuvo determinado por el recipiente utilizado. ^[12] Los resultados experimentales que confirman el efecto Mpemba han sido criticados por ser defectuosos, no tener en cuenta los sólidos y gases disueltos y otros factores de confusión. ^[13]

Philip Ball, un crítico de Physics World, escribió: "Incluso si el efecto Mpemba es real —si el agua caliente a veces puede congelarse más rápidamente que el agua fría— no está claro si la explicación sería trivial o esclarecedora". ^[4] Ball escribió que las investigaciones del fenómeno necesitan controlar una gran cantidad de parámetros iniciales (incluidos el tipo y la temperatura inicial del agua, el gas disuelto y otras impurezas, y el tamaño, la forma y el material del recipiente, y la temperatura del refrigerador) y necesitan establecer un método particular para establecer el tiempo de congelación, todo lo cual podría afectar la presencia o ausencia del efecto Mpemba. La amplia gama multidimensional de experimentos requerida podría explicar por qué el efecto aún no se entiende. ^[4]

New Scientist recomienda comenzar el experimento con recipientes a 35 y 5 °C (95 y 41 °F; 308 y 278 K), respectivamente, para maximizar el efecto. ^[14]

Si bien la ocurrencia real del efecto Mpemba es discutida, ^[13] varias explicaciones teóricas podrían explicar su ocurrencia.

En 2017, dos grupos de investigación encontraron de forma independiente y simultánea un efecto Mpemba teórico y también predijeron un nuevo efecto Mpemba "inverso" en el que calentar un sistema enfriado, lejos del equilibrio, toma menos tiempo que otro sistema que está inicialmente más cerca del equilibrio. Zhiyue Lu y Oren Raz produjeron un criterio general basado en la mecánica estadística markoviana , prediciendo la aparición del efecto Mpemba inverso en el modelo de Ising y la dinámica de difusión. ^[15] Antonio Lasanta y coautores también predijeron los efectos Mpemba directo e inverso para un gas granular en un estado inicial lejos del equilibrio. ^[16] El artículo de Lasanta también sugirió que un mecanismo muy genérico que conduce a ambos efectos Mpemba se debe a una función de distribución de velocidad de partículas que se desvía significativamente de la distribución de Maxwell-Boltzmann . ^[16]

James Brownridge, físico de la Universidad de Binghamton , ha dicho que el sobreenfriamiento está involucrado. ^{[17] [12]} Varias simulaciones de dinámica molecular también han respaldado que los cambios en los enlaces de hidrógeno durante el sobreenfriamiento desempeñan un papel importante en el proceso. ^{[18] [19]} En 2017, Yunwen Tao y coautores sugirieron que la gran diversidad y la ocurrencia peculiar de diferentes enlaces de hidrógeno podrían contribuir al efecto. Argumentaron que el número de enlaces de hidrógeno fuertes aumenta a medida que se eleva la temperatura, y que la existencia de los pequeños cúmulos fuertemente enlazados facilita a su vez la nucleación de hielo hexagonal cuando el agua caliente se enfría rápidamente. Los autores utilizaron espectroscopia vibracional y modelado con teoría funcional de la densidad: cúmulos de agua optimizados. ^[2]

También se han propuesto las siguientes explicaciones:

• Transferencia de calor inducida por microburbujas : El proceso de ebullición inducida por microburbujas en agua que permanecen suspendidas de manera estable a medida que el agua se enfría, luego actúan por convección para transferir calor más rápidamente a medida que el agua se enfría. ^{[20] [21]}
• Evaporación : La evaporación del agua más caliente reduce la masa de agua que se congela. ^[22] La evaporación es endotérmica , lo que significa que la masa de agua se enfría mediante el vapor que se lleva el calor, pero esto por sí solo probablemente no explique la totalidad del efecto. ^[5]
• Convección , aceleración de las transferencias de calor : la reducción de la densidad del agua por debajo de los 4 °C (39 °F) tiende a suprimir las corrientes de convección que enfrían la parte inferior de la masa líquida; la menor densidad del agua caliente reduciría este efecto, tal vez manteniendo el enfriamiento inicial más rápido. Una mayor convección en el agua más caliente también puede esparcir los cristales de hielo más rápidamente. ^[23]
• Escarcha : La escarcha tiene efectos aislantes . El agua a menor temperatura tenderá a congelarse desde arriba, lo que reducirá la pérdida de calor por radiación y convección del aire, mientras que el agua más caliente tenderá a congelarse desde abajo y los lados debido a la convección del agua. Esto es discutido ya que hay experimentos que tienen en cuenta este factor. ^[5]
• Solutos : El carbonato de calcio , el carbonato de magnesio y otras sales minerales disueltas en el agua pueden precipitarse cuando se hierve el agua, lo que lleva a un aumento del punto de congelación en comparación con el agua no hervida que contiene todos los minerales disueltos. ^[24]
• Conductividad térmica :
  1. El recipiente con el líquido más caliente puede derretirse a través de una capa de escarcha que actúa como aislante debajo del recipiente (la escarcha es un aislante, como se mencionó anteriormente), lo que permite que el recipiente entre en contacto directo con una capa inferior mucho más fría en la que se formó la escarcha (hielo, serpentines de refrigeración, etc.). El recipiente ahora descansa sobre una superficie mucho más fría (o una mejor para eliminar el calor, como los serpentines de refrigeración) que el agua originalmente más fría y, por lo tanto, se enfría mucho más rápido a partir de este punto.
  2. ^{[ Aclaración necesaria ]} La conducción a través del fondo es dominante cuando el fondo de un vaso de precipitados caliente se ha humedecido con hielo derretido y luego se ha quedado pegado a él. En el contexto del efecto Mpemba, es un error pensar que el hielo del fondo aísla, en comparación con las malas propiedades de enfriamiento del aire. ^[25]
• Gases disueltos : el agua fría puede contener más gases disueltos que el agua caliente, lo que de alguna manera puede cambiar las propiedades del agua con respecto a las corrientes de convección, una proposición que tiene cierto respaldo experimental pero ninguna explicación teórica. ^[5]
• Enlace de hidrógeno : en agua caliente, el enlace de hidrógeno es más débil. ^[2]
• Cristalización : Otra explicación sugiere que la población relativamente mayor de estados hexaméricos de agua en agua tibia podría ser responsable de la cristalización más rápida. ^[18]
• Función de distribución : ^{[ aclaración necesaria ]} Las fuertes desviaciones de la distribución de Maxwell-Boltzmann dan como resultado un posible efecto Mpemba que aparece en los gases. ^[16]

Otros fenómenos en los que se pueden conseguir grandes efectos más rápidamente que los pequeños son:

• Calor latente : convertir hielo a 0 °C (32 °F) en agua a 0 °C (32 °F) requiere la misma cantidad de energía que calentar agua de 0 °C (32 °F) a 80 °C (176 °F).
• Efecto Leidenfrost : las calderas de temperatura más baja a veces pueden vaporizar el agua más rápido que las calderas de temperatura más alta.

En 2017, Klich, Raz, Hirschberg y Vucelja predijeron la posibilidad de un "fuerte efecto Mpemba", en el que puede producirse un enfriamiento exponencialmente más rápido en un sistema a temperaturas iniciales particulares. ^[26] En 2020, Avinash Kumar y John Boechhoefer demostraron experimentalmente el fuerte efecto Mpemba en un sistema coloidal. ^[27]

• Densidad del agua
• Capacidad calorífica
• Cúmulo de agua
• Ley de enfriamiento de Newton

Notas

• Auerbach, David (1995). "Superenfriamiento y el efecto Mpemba: cuando el agua caliente se congela más rápido que la fría" (PDF) . American Journal of Physics . 63 (10): 882–885. Bibcode :1995AmJPh..63..882A. doi :10.1119/1.18059.
  • Auerbach atribuye el efecto Mpemba a las diferencias en el comportamiento del agua superenfriada, antes caliente, y del agua anteriormente fría.
• Chown, Marcus (junio de 2006). «Por qué el agua se congela más rápido después de calentarla». New Scientist .
• Conover, Emily (2017). «Se aviva el debate sobre las afirmaciones de que el agua caliente a veces se congela más rápido que la fría». Science News . 191 (2): 14 . Consultado el 2 de abril de 2018 .
• Dorsey, N. Ernest (1948). "La congelación del agua superenfriada". Trans. Am. Philos. Soc . 38 (3): 247–326. doi :10.2307/1005602. hdl : 2027/mdp.39076006405018 . JSTOR  1005602.
  • Un estudio extenso de experimentos de congelación.
• Jeng, Monwhea (2006). "El efecto Mpemba: ¿cuándo puede el agua caliente congelarse más rápido que la fría?". American Journal of Physics . 74 (6): 514–522. arXiv : physics/0512262 . Bibcode :2006AmJPh..74..514J. doi :10.1119/1.2186331.
• Knight, Charles A. (mayo de 1996). "El efecto MPEMBA: los tiempos de congelación del agua caliente y fría". American Journal of Physics . 64 (5): 524. Bibcode :1996AmJPh..64..524K. doi :10.1119/1.18275.

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• "Preguntas sobre el calor". HyperPhysics . Universidad Estatal de Georgia .
• "Efecto Mpemba: por qué el agua caliente puede congelarse más rápido que la fría".Una posible explicación del efecto Mpemba
• Tyrovolas, Ilias J. (2019). "Nueva explicación del efecto Mpemba". La 5.ª Conferencia Electrónica Internacional sobre Entropía y sus Aplicaciones . Vol. 46. pág. 2. doi : 10.3390/ecea-5-06658 .Una nueva explicación del efecto Mpemba
• "El efecto Mpemba: el agua caliente puede congelarse más rápido que el agua fría".Un análisis del efecto Mpemba London South Bank University
• "El efecto Mpemba". Archivado desde el original el 9 de octubre de 2011.– Historia y análisis del efecto Mpemba
• «La historia del efecto Mpemba contada por sus protagonistas». YouTube . 10 de enero de 2013. Archivado desde el original el 12 de diciembre de 2021.Entrevista histórica con Erasto B. Mpemba, el Dr. Denis G. Osborne y Ray deSouza
• "¿Qué se congela más rápido, el agua caliente o el agua fría?" . Consultado el 25 de agosto de 2021 .Descripción del experimento de secundaria, con enlace a los resultados experimentales
• Adams, Cecil; MQC, Mary (1996). "¿Qué se congela más rápido, el agua caliente o el agua fría?". The Straight Dope . Chicago Reader, Inc.
• Brownridge, James (2010). "Una búsqueda del efecto Mpemba: cuando el agua caliente se congela más rápido que el agua fría". arXiv : 1003.3185 [physics.pop-ph].
• Jeng, Monwhea (noviembre de 1998). "¿Puede el agua caliente congelarse más rápido que el agua fría?".en las preguntas frecuentes sobre física de Usenet de la Universidad de California
• Concurso Mpemba - Real Sociedad de Química
• Mpemba, Erasto B.; Osborne, Denis G. "El efecto Mpemba" (PDF) . Instituto de Física.
• Sun, Chang Q.; Sun, Yi (2016). El atributo del agua: una noción única, múltiples mitos. Springer Series in Chemical Physics. Vol. 113. Bibcode :2016awsn.book.....S. doi :10.1007/978-981-10-0180-2. ISBN 978-981-10-0178-9.