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Si se pone agua caliente en el congelador, se puede observar el efecto de su congelación acelerada. Este fenómeno ya fue mencionado por Aristóteles, Francis Bacon y René Descartes.
Si se colocan dos recipientes con agua caliente y fría en el congelador, se puede comprobar que el agua caliente se congela más rápido. Este hecho se confirma, por ejemplo, por el hecho de que, con frío intenso, las tuberías abiertas con agua caliente se congelan más rápido que las tuberías frías.
Un experimento en casa
Para comprobar la veracidad de este fenómeno, puede realizar un sencillo experimento en casa.
- Coge un litro de agua y dos cubiteras distintas.
- Vierte aproximadamente la mitad del agua en una tetera y ponla a hervir.
- Rellena las bandejas con agua fría y caliente y mételas en el congelador.
- Espera una hora y verás qué agua se convierte en hielo más rápido.
La paradoja de Mpemba
En 1963, un escolar africano observó que una mezcla de helado caliente en el congelador se congelaba más rápido que una fría. No obtuvo respuesta a esta pregunta de su profesor de física del colegio, pero pudo preguntar al profesor de física Dennis Osborne. Un experimento con agua confirmó el efecto. En este caso, se colocaron dos muestras de 70 ml de agua con una temperatura de 25 y 90°C en vasos idénticos en el congelador de un frigorífico doméstico sobre trozos de espuma.
Osborne y Mpemba realizaron entonces una serie de experimentos, cuyos resultados fueron publicados en 1969 por la revista Physics Education.
A continuación se presentan los puntos principales del artículo.
Dado que el enfriamiento comienza principalmente en la superficie superior del líquido, la velocidad de enfriamiento depende de la temperatura de esta superficie, no de la temperatura media del líquido, y los procesos de convección mantienen esta temperatura. En consecuencia, la tasa de pérdida de calor de un sistema con una temperatura inicial más alta también será mayor que la de un sistema más enfriado. La afirmación es controvertida porque el agua debe pasar por temperaturas intermedias antes de congelarse, pero dada la influencia del gradiente de temperatura, los autores permitieron que se omitiera esta afirmación. A partir de entonces, el fenómeno pasó a ser activamente discutido por los investigadores y se denominó "efecto Mpemba".
La figura muestra la dependencia de la velocidad de congelación de la temperatura inicial del agua.
Explicación del efecto Mpemba
Hace medio siglo que se busca una respuesta a la pregunta de por qué el agua caliente se congela más rápido. Se publicaron cientos de artículos científicos sobre el tema, pero hasta 54 años después no se obtuvo una respuesta definitiva.
En 2013, la Real Sociedad de Química de Gran Bretaña prometió dar un premio de 1.000 libras a quien pudiera explicar el efecto Mpemba. La mejor respuesta fue un ensayo de Nikola Bregovic, de la Universidad de Zagreb (Croacia). Resumía las principales teorías estudiadas anteriormente y las describía.
En 2016, un grupo de científicos publicó materiales de investigación que negaban la existencia de este fenómeno. La explicación del efecto en sí se basaba en un error de investigación.
Parecería que el mundo científico debería calmarse, pero aquí no, y en 2017, un estudio conjunto de un grupo de científicos de China y Estados Unidos explicó el fenómeno por los enlaces de hidrógeno en la estructura de racimo del agua.
Las principales teorías
Evaporación del agua
Algunos científicos explicaron que el agua calentada se evapora más rápidamente y, en consecuencia, o bien se congela en el aire y forma una costra de hielo o simplemente se elimina del sistema. Cabe señalar que en todos los experimentos en los que se pesó la masa de agua antes y después de la congelación, la pérdida máxima de masa no superó el 3%. Un cambio tan insignificante en la masa obviamente no puede causar una aceleración significativa de la congelación. Otra dificultad de este experimento era que resultaba casi imposible demostrar este punto, ya que sellar el recipiente con agua congelada modificaría no sólo la evaporación, sino también el movimiento de los flujos de calor.
Gases disueltos
La solubilidad de los gases en el agua disminuye al aumentar la temperatura. Basándose en esto, algunos investigadores supusieron que la rápida congelación del agua está relacionada con este hecho. Las investigaciones de Thomas demostraron que la diferencia de temperaturas de congelación se desvía ligeramente de cero, y Auerbach demostró que la concentración de gases en el agua no afecta al superenfriamiento.
La conversión se ve favorecida por un gradiente térmico
Entendamos qué son la convección y el gradiente térmico. Cuando se introduce un recipiente con agua en un congelador, el líquido que se encuentra en la superficie y cerca de las paredes del recipiente entra en contacto con el ambiente frío y se enfría más rápidamente. Al mismo tiempo, se mantiene la temperatura en el interior de la muestra, lo que da lugar a una diferencia de temperatura o gradiente térmico en el recipiente. Esto provoca una transferencia de calor, y cuanto mayor sea el gradiente, mejor será la convección. En consecuencia, cuanto mayor sea la diferencia de temperatura, más activa será la transferencia de calor y el enfriamiento.
Enlaces de hidrógeno
En 2017 se dio la respuesta definitiva a la pregunta de por qué el agua caliente se congela más rápido que el agua fría. La razón son las propiedades de los enlaces de hidrógeno. El argumento clave de los investigadores es que el número de enlaces de hidrógeno fuertes aumenta con el incremento de la temperatura, y la existencia de pequeñas agrupaciones fuertemente enlazadas, a su vez, contribuye a la formación de hielo hexagonal regular cuando el agua caliente se enfría rápidamente. Además, se ha comprobado el efecto contrario del calentamiento rápido del agua sobreenfriada.
Ya hemos escrito sobre la formación del hielo y la ubicación de la molécula de agua en su estructura.
Por cierto, la investigación está en curso :)
Recursos:
- Tao, Yunwen; Zou, Wenli; Jia, Junteng; Li, Wei; Cremer, Dieter (2016). Diferentes formas de enlace de hidrógeno en el agua: ¿por qué el agua caliente se congela más rápido que el agua fría?". ACS Publications. Colección. https://doi.org/10.1021/acs.jctc.6b00735
- N. Bregović, Efecto Mpemba desde el punto de vista de un químico físico experimental. http://www. rsc.org/images/nikola-bregovic-entry_tcm18-225169.pdf 2012.
- Diferentes formas de enlace de hidrógeno en el agua: ¿por qué el agua caliente se congela más rápido que el agua fría? Yunwen Tao, Wenli Zou, Junteng Jia, Wei Li y Dieter Cremer. Journal of Chemical Theory and Computation 2017 13 (1), 55-76. DOI: 10.1021/acs.jctc.6b00735.
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