Se si mette dell'acqua calda nel congelatore, si può osservare l'effetto del suo congelamento accelerato. Questo fenomeno era già stato menzionato da Aristotele, Francis Bacon e René Descartes.

Mettendo due contenitori di acqua calda e fredda nel congelatore, si può notare che l'acqua calda si congela più velocemente. Questo fatto è confermato, ad esempio, dal fatto che in caso di freddo intenso, le tubature aperte con acqua calda si congelano più velocemente di quelle fredde.
 

Un esperimento a casa

Per verificare la veridicità di questo fenomeno, può condurre un semplice esperimento a casa.

1. Prenda un litro d'acqua e due vaschette separate per i cubetti di ghiaccio.
2. Versa circa la metà dell'acqua in un bollitore e falla bollire.
3. Riempia le vaschette con l'acqua fredda e riscaldata e le metta nel congelatore.
4. Attenda un'ora e vedrà quale acqua si trasforma in ghiaccio più velocemente.
    

Il paradosso di Mpemba

Nel 1963, uno scolaro africano notò che una miscela di gelato calda nel freezer si congelava più velocemente di una fredda. Non ottenne una risposta a questa domanda dall'insegnante di fisica della sua scuola, ma riuscì a chiederla al professore di fisica Dennis Osborne. Un esperimento con l'acqua ha confermato l'effetto. In questo caso, due campioni di acqua da 70 ml con una temperatura di 25 e 90°C sono stati collocati in tazze identiche nel congelatore di un frigorifero domestico su pezzi di schiuma.

Osborne e Mpemba hanno poi condotto una serie di esperimenti, i cui risultati sono stati pubblicati nel 1969 dalla rivista Physics Education.

I punti principali dell'articolo sono presentati di seguito.

Poiché il raffreddamento inizia principalmente dalla superficie superiore del liquido, la velocità di raffreddamento dipende dalla temperatura di questa superficie, non dalla temperatura media del liquido, e i processi di convezione mantengono questa temperatura. Di conseguenza, il tasso di perdita di calore per un sistema con una temperatura iniziale più alta sarà anche più alto rispetto a un sistema più raffreddato. L'affermazione è controversa perché l'acqua deve passare attraverso temperature intermedie prima di congelare, ma data l'influenza del gradiente di temperatura, gli autori hanno permesso di omettere questa affermazione. In seguito, il fenomeno è stato discusso attivamente dai ricercatori ed è stato chiamato "effetto Mpemba".

La figura mostra la dipendenza del tasso di congelamento dalla temperatura iniziale dell'acqua.

Spiegazione dell'effetto Mpemba

Da mezzo secolo si cerca una risposta alla domanda sul perché l'acqua calda si congela più velocemente. Sono stati pubblicati centinaia di articoli scientifici sull'argomento, ma solo 54 anni dopo è stata ottenuta una risposta definitiva.

Nel 2013, la Royal Society of Chemistry della Gran Bretagna ha promesso di dare un premio di 1.000 sterline a chiunque fosse riuscito a spiegare l'effetto Mpemba. La risposta migliore è stata un saggio di Nikola Bregovic dell'Università di Zagabria in Croazia. Ha riassunto le principali teorie studiate in precedenza e le ha descritte.

Nel 2016, un gruppo di scienziati ha pubblicato materiali di ricerca che negavano l'esistenza di questo fenomeno. La spiegazione dell'effetto stesso si basava su un errore di ricerca.

Sembrerebbe che il mondo scientifico debba calmarsi, ma non è così; nel 2017, uno studio congiunto di un gruppo di scienziati provenienti da Cina e Stati Uniti ha spiegato il fenomeno con i legami di idrogeno nella struttura a cluster dell'acqua.

Le teorie principali

Evaporazione dell'acqua

Alcuni scienziati hanno spiegato che l'acqua riscaldata evapora più velocemente e, di conseguenza, o si congela nell'aria e forma una crosta di ghiaccio o viene semplicemente rimossa dal sistema. Vale la pena notare che in tutti gli esperimenti in cui la massa dell'acqua è stata pesata prima e dopo il congelamento, la perdita massima di massa non è stata superiore al 3%. Un cambiamento di massa così insignificante non può ovviamente causare un'accelerazione significativa del congelamento. Un'altra difficoltà di questo esperimento era che era quasi impossibile dimostrare questo punto, poiché sigillare il contenitore con l'acqua congelata avrebbe cambiato non solo l'evaporazione, ma anche il movimento dei flussi di calore.

Gas disciolti

La solubilità dei gas in acqua diminuisce con l'aumentare della temperatura. Sulla base di ciò, alcuni ricercatori hanno ipotizzato che il rapido congelamento dell'acqua sia legato a questo fatto. La ricerca di Thomas ha dimostrato che la differenza tra le temperature di congelamento si discosta leggermente dallo zero, e Auerbach ha dimostrato che la concentrazione di gas nell'acqua non influisce sul superraffreddamento.

La conversione è potenziata da un gradiente di calore

Cerchiamo di capire cosa sono la convezione e il gradiente di calore. Quando un contenitore d'acqua viene posto in un congelatore, il liquido sulla superficie e vicino alle pareti del contenitore entra in contatto con l'ambiente freddo e si raffredda più rapidamente. Allo stesso tempo, la temperatura all'interno del campione viene mantenuta, determinando una differenza di temperatura o un gradiente di temperatura nel contenitore. Questo provoca un trasferimento di calore e più forte è il gradiente, migliore è la convezione. Di conseguenza, maggiore è la differenza di temperatura, più attivo sarà il trasferimento di calore e il raffreddamento.

Legami di idrogeno

Nel 2017 è stata data la risposta definitiva alla domanda sul perché l'acqua calda congela più velocemente dell'acqua fredda. Il motivo è da ricercare nelle proprietà dei legami di idrogeno. L'argomento chiave dei ricercatori è che il numero di forti legami di idrogeno aumenta con l'aumentare della temperatura e l'esistenza di piccoli cluster fortemente legati, a sua volta, contribuisce alla formazione di ghiaccio esagonale regolare quando l'acqua calda si raffredda rapidamente. Inoltre, è stato dimostrato l'effetto opposto del riscaldamento rapido dell'acqua super-raffreddata.

Abbiamo già scritto della formazione del ghiaccio e della posizione della molecola d'acqua nella sua struttura.
Tra l'altro, la ricerca è in corso :)

Risorse:

1. Tao, Yunwen; Zou, Wenli; Jia, Junteng; Li, Wei; Cremer, Dieter (2016). Diversi modi di legare l'idrogeno nell'acqua - Perché l'acqua calda si congela più velocemente di quella fredda? Pubblicazioni ACS. Raccolta. https://doi.org/10.1021/acs.jctc.6b00735
2. N. Bregović, L'effetto Mpemba dal punto di vista di un chimico fisico sperimentale. http://www. rsc.org/images/nikola-bregovic-entry_tcm18-225169.pdf 2012.
3. Diversi modi di legare l'idrogeno nell'acqua - Perché l'acqua calda si congela più velocemente dell'acqua fredda? Yunwen Tao, Wenli Zou, Junteng Jia, Wei Li e Dieter Cremer. Journal of Chemical Theory and Computation 2017 13 (1), 55-76. DOI: 10.1021/acs.jctc.6b00735.

‍