¿Por qué el agua caliente se puede congelar más rápido que el agua fría?
Este fenómeno fue descubierto por accidente hace más de 50 años y desde entonces ha sido uno de los mayores misterios de la física.
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La intuición nos dice que el agua fría debería congelarse más rápido que la caliente. Sin embargo, en la década de 1960, se halló evidencia de que sucede lo contrario. A este fenómeno se le denominó efecto Mpemba en honor al estudiante que lo descubrió por accidente.
Sucedió en la Escuela Secundaria Magamba, en Tanzania. Erasto B. Mpemba estaba haciendo helado y, en la prisa por conseguir un sitio en el congelador, no esperó que su preparado de leche recién hervida enfriara a temperatura ambiente como hicieron sus compañeros. Tras una hora y media, su mezcla se había congelado, mientras que las demás aún eran una pasta líquida espesa.
La escuela fue visitada por el físico Denis Osborne, quien se enteró del hallazgo de Mpemba y lo invitó al Colegio Universitario de Dar es Salaam, donde realizaron experimentos y volvieron a observar este fenómeno.
El efecto Mpemba fue el primer registro científico de que el agua caliente puede llegar al punto de congelación más rápido que el agua fría en condiciones similares. No obstante, este fenómeno ya había sido documentado por eminencias como Aristóteles, René Descartes y Sir Francis Bacon.
La escala vertical indica el tiempo que demora en congelarse; la horizontal indica la temperatura inicial. Datos publicados por Mpemba y Osborne en 1969. Imagen: Physics Education
¿Por qué el agua caliente se congela más rápido?
A pesar de que el efecto Mpemba fue replicado por otros investigadores en las décadas posteriores, no ha sido fácil llegar a una explicación concluyente para este proceso.
De hecho, actualmente se manejan cuatro posibles causas, aunque no se descarta que más de una actúe en conjunto para enfriar más rápido el agua caliente.
- Evaporación: El agua caliente pierde una cantidad significativa de masa por evaporación. Un menor contenido facilitará un enfriamiento más rápido. Sin embargo, esta hipótesis no puede explicar el efecto Mpemba en los experimentos que usaron recipientes cerrados, donde no hay pérdida de masa por evaporación.
- Convección: Al enfriarse, el agua desarrolla corrientes de convección, haciendo que pierda calor por la superficie. Mientras más caliente un líquido, más corrientes de convección generará y más rápido se enfriará en la parte superior.
- Gases disueltos: Al calentarse a altas temperaturas, el agua puede liberar gases disueltos, lo que podría hacer que no necesite perder tanta temperatura para volverse hielo. Es decir, elevaría su punto de congelación.
- Entorno: El agua caliente puede cambiar el entorno que la rodea. Por ejemplo, si el recipiente está sobre una capa de escarcha —que conduce mal el calor—, puede derretirla y obtener un enfriamiento más rápido.
Polémica científica por el efecto Mpemba
A pesar de las investigaciones que han reproducido el efecto Mpemba, muchos científicos no están convencidos de que siquiera suceda.
En 2016, los investigadores británicos Henry Burridge y Paul Linden realizaron un experimento con tazas de agua fría y caliente. En el proceso de enfriamiento hasta los 0 °C, notaron que, al medir la temperatura a la misma altura de ambos recipientes, no había evidencia del efecto Mpemba.
En consecuencia, pusieron en duda la rigurosidad de los experimentos que los precedieron y especularon que, si bien el agua caliente podría formar cristales de hielo primero, tardaría más en congelarse por completo, según su artículo publicado en Scientific Reports.
Por otro lado, hay investigaciones más recientes que respaldan el efecto Mpemba. Por ejemplo, Zhiyue Lu (Universidad de Carolina del Norte) y Oren Raz (Instituto de Ciencias Weizmann en Israel) realizaron un estudio publicado en PNAS que mostró que los componentes de un sistema más caliente, al tener más energía, pueden migrar a más configuraciones posibles, lo que permite que avance rápidamente hacia un estado más frío.
Luego, Avinash Kumar y John Bechhoefer, ambos investigadores de la Universidad Simon Fraser (Canadá), llevaron la investigación de Lu y Raz de la teoría a la realidad con un experimento en el que las partículas más calientes pasaron a un estado estable (congelamiento) “exponencialmente más rápido” que las de un sistema tibio.
Sus resultados se publicaron en la revista Nature en 2020. Y a principios de este año demostraron el efecto inverso: un sistema frío llega a la temperatura máxima más rápido que un sistema caliente.
