El efecto Mpemba es un término general para los posibles casos en los que el agua caliente parece congelarse más rápido que el agua fría. El fenómeno depende de la temperatura. Existe desacuerdo sobre los parámetros necesarios para producir el efecto y sobre su base teórica. [1] [2]
El efecto Mpemba lleva el nombre del colegial tanzano Erasto Bartholomeo Mpemba (nacido en 1950), cuya historia en 1963 se popularizó mucho. Los hallazgos del escolar nunca se han replicado en condiciones controladas. Sin embargo, el descubrimiento y las observaciones notables de él se originan en la antigüedad, habiendo sido de conocimiento común según Aristóteles durante su tiempo.
Definición
El fenómeno, cuando se considera que "el agua caliente se congela más rápido que el frío", es difícil de reproducir o confirmar porque esta afirmación está mal definida. [3] Monwhea Jeng propone 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 difiriendo solo en las temperaturas uniformes iniciales, el caliente se congelará antes. [4]
Sin embargo, incluso con esta definición, 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 0 ° C (32 ° F). [3] Una cantidad de agua puede estar a 0 ° C (32 ° F) y no ser hielo; después de que se haya eliminado suficiente calor para alcanzar los 0 ° C (32 ° F), se debe eliminar más calor antes de que el agua cambie a estado sólido (hielo), para que el agua pueda ser líquida o sólida a 0 ° C (32 ° F).
Con la definición anterior, existen formas simples en las que se puede observar el efecto, como si una temperatura más cálida derrite la escarcha en una superficie de enfriamiento y, por lo tanto, aumenta la conductividad térmica entre la superficie de enfriamiento y el recipiente de agua. [3] Alternativamente, el efecto Mpemba puede no ser evidente en situaciones y bajo circunstancias que al principio parezcan calificar para él. [3]
Observaciones
Contexto histórico
Científicos antiguos como Aristóteles describieron varios efectos del calor sobre la congelación del agua : "El hecho de que el agua se haya calentado previamente contribuye a que se congele rápidamente: por eso se enfría antes. De ahí que muchas personas, cuando quieren enfriar el agua rápidamente, comience poniéndolo al sol. Así que los habitantes de Ponto cuando acampan en el hielo para pescar (hacen un agujero en el hielo y luego pescan) vierten agua tibia alrededor de sus cañas para que se congele más rápido, porque ellos usa el hielo como plomo para arreglar las cañas ". [5] La explicación de Aristóteles implicaba antiperistasis , "el supuesto aumento en la intensidad de una cualidad como resultado de estar rodeado por su cualidad contraria".
Los primeros científicos modernos , como Francis Bacon, señalaron que "el agua ligeramente tibia se congela más fácilmente que la que está completamente fría". [6] En el latín original , "aqua parum tepida facilius conglacietur quam omnino frigida".
René Descartes escribió en su Discurso sobre el método : "Se puede ver por experiencia que el agua que se ha mantenido en el fuego durante mucho tiempo se congela más rápido que otras, debido a que las de sus partículas que son menos capaces de dejar de doblarse se evaporan". mientras se calienta el agua ". [7] Esto se relaciona con la teoría del vórtice de Descartes .
El científico escocés Joseph Black investigó un caso especial de este fenómeno comparando agua previamente hervida con agua sin hervir; [8] el agua previamente hervida se congeló más rápidamente. Se controló la evaporación. Discutió la influencia de la agitación en los resultados del experimento, y señaló que la agitación del agua sin hervir la congelaba al mismo tiempo que el agua previamente hervida, y también señaló que la agitación del agua sin hervir muy fría conducía a la congelación inmediata. Joseph Black luego discutió la descripción de Fahrenheit del sobreenfriamiento del agua (aunque el término sobreenfriamiento no se había acuñado entonces), argumentando, en términos modernos, que el agua previamente hervida no se puede sobreenfriar tan fácilmente.
Observación de Mpemba
El efecto lleva el nombre de Erasto Mpemba de Tanzania . Lo describió en 1963 en el Formulario 3 de la Escuela Secundaria Magamba, Tanganica , cuando congelaba una mezcla de helado que estaba caliente en las clases de cocina y notaba que se congelaba antes de la mezcla fría. Más tarde se convirtió en estudiante en la escuela secundaria Mkwawa (antes secundaria) en Iringa . El director invitó al Dr. Denis Osborne del University College de Dar es Salaam a dar una conferencia sobre física. Después de la conferencia, Mpemba le preguntó: "Si toma dos recipientes similares con volúmenes iguales de agua, uno a 35 ° C (95 ° F) y el otro a 100 ° C (212 ° F), y los pone en un congelador, el que empezó a 100 ° C (212 ° F) se congela primero. ¿Por qué? ", solo para ser ridiculizado por sus compañeros y el maestro. Después de 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 . [9] Mpemba y Osborne describen la colocación de muestras de 70 ml (2,5 onzas líquidas imp; 2,4 onzas líquidas estadounidenses) de agua en vasos de precipitados de 100 ml (3,5 onzas líquidas imp; 3,4 onzas líquidas estadounidenses) en la caja de hielo de un refrigerador doméstico en una hoja de espuma de poliestireno. Mostraron que el tiempo para que comenzara la congelación fue más largo con una temperatura inicial de 25 ° C (77 ° F) y que fue mucho menor alrededor de 90 ° C (194 ° F). Descartaron la pérdida de volumen de líquido por evaporación como factor significativo y efecto del aire disuelto. En su configuración, se encontró que la mayor parte de la pérdida de calor provenía de la superficie del líquido. [9]
Trabajo experimental moderno
David Auerbach describe un efecto que observó en muestras en vasos de precipitados de vidrio colocados en un baño de enfriamiento líquido. En todos los casos, el agua se sobreenfrió, alcanzando una temperatura típica de -6 a -18 ° C (21 a 0 ° F) 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 lugar a que el agua comenzara a congelarse (parcialmente) más caliente primero. [10] En 2016, Burridge y Linden definieron el criterio como el tiempo para alcanzar los 0 ° C (32 ° F), realizaron experimentos y revisaron el trabajo publicado hasta la fecha. Señalaron que la gran diferencia originalmente alegada no se había replicado y que los estudios que muestran un efecto pequeño podrían verse influenciados por variaciones en la posición de los termómetros. Dicen: "Concluimos, algo tristemente, 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 se determinó por el recipiente que se usó. [11] [12] Un crítico de Physics World escribe: "Incluso si el efecto Mpemba es real, si el agua caliente a veces puede congelarse más rápidamente que la fría, no está claro si la explicación sería trivial o esclarecedora". Señaló que las investigaciones del fenómeno deben controlar una gran cantidad de parámetros iniciales (incluido el tipo y la temperatura inicial del agua, el gas disuelto y otras impurezas, el tamaño, la forma y el material del recipiente y la temperatura del refrigerador) y Es necesario 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 aún no se comprende el efecto. [3] New Scientist recomienda comenzar el experimento con recipientes a 35 y 5 ° C (95 y 41 ° F) para maximizar el efecto. [13] En un estudio relacionado, se encontró que la temperatura del congelador también afecta la probabilidad de observar el fenómeno Mpemba así como la temperatura del recipiente.
Explicaciones teóricas
Si bien la ocurrencia real del efecto Mpemba es un tema de controversia, [14] 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 lleva menos tiempo que otro sistema que inicialmente está más cerca del equilibrio. Lu y Raz [15] arrojan un criterio general basado en la mecánica estadística de Markov, que predice la aparición del efecto Mpemba inverso en el modelo de Ising y la dinámica de difusión. Lasanta y colaboradores [16] predicen también los efectos directos e inversos de Mpemba para un gas granular en un estado inicial lejos del equilibrio. En este último trabajo, se sugiere que un mecanismo muy genérico que conduce a ambos efectos Mpemba se debe a una función de distribución de la velocidad de las partículas que se desvía significativamente de la distribución de Maxwell-Boltzmann . James Brownridge, un oficial de seguridad radiológica de la Universidad Estatal de Nueva York , ha dicho que el sobreenfriamiento está involucrado. [17] [11] Varias simulaciones de dinámica molecular también han respaldado que los cambios en los enlaces de hidrógeno durante el sobreenfriamiento tienen un papel importante en el proceso. [18] [19] Tao y sus colaboradores propusieron otra posible explicación en 2016. Sobre la base de los resultados de la espectroscopia vibratoria y el modelado con la teoría funcional de la densidad , grupos de agua optimizados, sugieren que la razón podría estar en la vasta diversidad y aparición peculiar de diferentes enlaces de hidrógeno . Su argumento clave es que el número de enlaces de hidrógeno fuertes aumenta a medida que se eleva la temperatura . La existencia de pequeños cúmulos fuertemente unidos facilita a su vez la nucleación del hielo hexagonal cuando el agua caliente se enfría rápidamente. [2]
Explicaciones sugeridas
Se han propuesto las siguientes explicaciones:
- Transferencia de calor inducida por microburbujas : el proceso de ebullición induce microburbujas en esa agua que permanecen suspendidas de manera estable cuando 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 del agua a congelar. [22] La evaporación es endotérmica , lo que significa que la masa de agua se enfría mediante el vapor que lleva el calor, pero esto por sí solo probablemente no explica la totalidad del efecto. [4]
- Convección : aceleración de las transferencias de calor . La reducción de la densidad del agua por debajo de 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, quizás manteniendo el enfriamiento inicial más rápido. Una convección más alta en el agua más cálida también puede esparcir los cristales de hielo más rápido. [23]
- Escarcha : Tieneefectos aislantes . El agua a temperatura más baja tenderá a congelarse desde la parte superior, lo que reducirá aún más la pérdida de calor por radiación y convección de aire, mientras que el agua más caliente tenderá a congelarse desde el fondo y los lados debido a la convección del agua. Esto se disputa ya que hay experimentos que dan cuenta de este factor. [4]
- Solutos : Los efectos del carbonato de calcio , carbonato de magnesio entre otros. [24]
- Conductividad térmica : el recipiente de 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 que la escarcha formada en (hielo, serpentines de refrigeración, etc.) El recipiente ahora descansa sobre una superficie mucho más fría (o una mejor para eliminar el calor, como serpentines de refrigeración) que el agua originalmente más fría, y por lo tanto se enfría mucho más rápido desde este punto en adelante .
- 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 algún apoyo experimental pero ninguna explicación teórica. [4]
- Enlace de hidrógeno : en agua tibia, el enlace de hidrógeno es más débil. [2]
- Cristalización : Otra explicación sugiere que la población relativamente mayor de estados de hexámeros de agua en agua caliente podría ser responsable de la cristalización más rápida. [18]
- Función de distribución : fuertes desviaciones de la distribución de Maxwell-Boltzmann dan como resultado un efecto potencial de Mpemba que se manifiesta en los gases. [dieciséis]
Efectos similares
Otros fenómenos en los que se pueden lograr grandes efectos más rápidamente que pequeños efectos son:
- Calor latente : convertir el 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.
Ver también
- Densidad del agua
- Capacidad calorífica
- Clúster de agua
Referencias
Notas
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enlaces externos
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