Efecto Mpemba: ¿Por qué el agua caliente se congela más rápido que el agua fría?

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Boiling water freezes in midair in the cold

Sobre el blog

Águeda García de Durango
Responsable de Contenidos y Comunidad de iAgua.
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Con la ola de frío que recorre Europa, quizá sea el momento de poner en práctica en efecto Mpemba, un fenómeno que se produce cuando el agua caliente se congela antes que el agua fría en determinadas circunstancias.

Historia

El efecto Mpemba, que aparentemente es una contradicción en la física, ya fue explorado por Aristóteles hace más de 2.000 años. El sabio griego describió cómo unos habitantes de la actual Turquía rociaban las estacas de sus empalizadas con agua caliente para asegurarlas, porque de este modo se congelaban antes.

No fue el único: Francis Bacon y René Descartes también tomaron nota de esta curiosidad, pero no fue hasta 1963 cuando se le puso nombre y la ciencia moderna lo tuvo en cuenta.

¿Cómo es posible que el agua caliente se congele antes que la fría, si ésta ya parte con una enorme ventaja inicial?

La historia cuenta que un niño tanzano llamado Erasto Mpemba hacía a menudo helado en el colegio hirviendo leche con azúcar, esperaba a que la mezcla se enfriara y la metía en el congelador. Un día, Mpemba se impacientó, y en vez de esperar a que descendiera la temperatura, puso el helado a congelar antes de que la leche dejara de hervir. Para su sorpresa, su helado se hizo más rápido que el de sus compañeros, y en 1969 se asoció con su profesor de física Denis G. Osborne para publicar un documento describiendo el proceso.

Explicación

Aunque el efecto Mpemba ha sido aceptado como un hecho, los científicos han tardado en ponerse de acuerdo sobre su explicación. ¿Cómo es posible que el agua caliente se congele antes que la fría, si ésta ya parte con una enorme ventaja inicial?

Otro de los problemas es la replicación del experimento. Muchos intentos han fracasado, pero no hay evidencia suficiente como para desacreditarlo por completo.

En 2012, la Royal Society of Chemistry anunció un premio de 1.000 libras para la mejor explicación a este fenómeno. Se presentaron 22.000 documentos de todo el mundo, pero ninguna de las respuestas ofrecidas fue lo suficientemente convincente como para que hubiera consenso generalizado.

Hay que remarcar que este efecto solo se da en contextos muy concretos

Entonces, ¿cuál la explicación?

Para empezar, hay que remarcar que este efecto solo se da en contextos muy concretos. Esto implica que se necesitan temperaturas altas para apreciarlo. Por ejemplo, agua a 5º C se congelará antes que agua a 35º C, pero agua a 70º C tardará más en congelarse que agua a 90º C.

La hipótesis comúnmente propuesta es que el agua caliente se evapora más rápidamente, pierde masa, y por tanto, necesita perder menos calor para congelarse. Sin embargo, el efecto Mpemba también se da en recipientes cerrados donde la evaporación no tiene lugar.

Otra de las posibles explicaciones es que el agua desarrolla corrientes de convección y gradientes de temperatura según se enfría: un vaso de agua caliente enfriado rápidamente tendrá mayores diferencias de temperatura a lo largo del proceso y perderá más calor más rápido en la superficie que un vaso de agua fría (a menor temperatura) que tiene menos diferencia de temperatura y menor convección para acelerar el proceso. Esta idea tampoco ha sido verificada totalmente.

No son las únicas teorías: algunas incluyen los efectos que los gases disueltos en el agua tendrían en el proceso de congelación, o el sobreenfriamiento.

En 2013, un equipo de investigadores de Singapur propuso que la paradoja de Mpemba se debe a las propiedades únicas de los enlaces químicos en el agua. Aunque muchos titulares anunciaron esta como la explicación definitiva, la idea no ha alcanzado aún la revisión por pares debido a la falta de capacidad de predicción de la misma. Tampoco cuenta con el respaldo unánime de la comunidad científica.

La hipótesis comúnmente propuesta es que el agua caliente se evapora más rápidamente, pierde masa, y por tanto, necesita perder menos calor para congelarse

Llegados a 2017, el fenómeno se enfrenta a su enésima explicación. Investigadores de la Universidad Metodista del Sur en Dallas y la Universidad de Nanjing en China creen haber descubierto que las propiedades de los enlaces formados entre átomos de hidrógeno y oxígeno en las moléculas de agua podría ser la clave para explicar el efecto de Mpemba.

Las simulaciones de grupos de moléculas de agua revelaron que la fuerza de los enlaces de hidrógeno en una molécula de agua depende de la disposición de las moléculas de agua vecina. Es por ello que a medida que el agua se calienta, los enlaces más débiles se rompen y forman grupos de moléculas en fragmentos que deben realinearse para formar la estructura cristalina del hielo, que sirve como punto de partida para el proceso de congelación.

Para que el agua fría se reorganice de esta manera, primero deben romperse los enlaces de hidrógeno débiles. Es decir: hay un mayor porcentaje de enlaces de hidrógeno fuertes en el agua caliente que en el agua fría, ya que los más débiles se rompieron cuando las temperaturas aumentaron.

Pero…

Igual que las explicaciones precedentes, son necesarias más pruebas para saber con certeza que esta – o una combinación de todas las teorías – es la causa del efecto Mpemba.

Mientras algunos achacan el problema de la replicación a varios factores combinados para lograr el fenómeno - incluyendo convección, evaporación, y sobreenfriamiento - y el hecho de que la congelación es un proceso gradual, no instantáneo, otros creen que el efecto Mpemba no es más que un mito muy persistente.

Esperando la explicación definitiva, no está de más intentar replicarlo (con cuidado) en casa… si la temperatura exterior es de – 41º C, claro.

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