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Efecto Mpemba

El efecto Mpemba es la observación de que los líquidos o coloides muy calientes (como el helado ) pueden congelarse más rápidamente que los más fríos, para volúmenes y condicion...

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El efecto Mpemba es la observación de que los líquidos o coloides muy calientes (como el helado ) pueden congelarse más rápidamente que los más fríos, para volúmenes y condiciones ambientales similares. Los físicos siguen divididos sobre la reproducibilidad del efecto, su definición precisa y sus mecanismos subyacentes. [ 1 ] Recibe su nombre de Erasto Mpemba , un adolescente tanzano que lo estudió científicamente por primera vez en la década de 1960, junto con Denis Osborne . [ 2 ]

El efecto Mpemba se observó inicialmente solo en helado y agua, y posteriormente en otros coloides. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] Se ha estudiado ampliamente en agua, con resultados mixtos, y algunos experimentos no han encontrado un efecto reproducible. [ 6 ] También se ha estudiado en aleaciones magnéticas , sistemas nanomecánicos , [ 7 ] y sistemas cuánticos . [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]

Definición

La definición del efecto Mpemba utilizada en estudios teóricos varía, [ 11 ] lo que dificulta la comparación de experimentos. [ 12 ] Monwhea Jeng propuso esta definición para el efecto en el agua: « Existe un conjunto de parámetros iniciales y un par de temperaturas tales que, dados dos cuerpos de agua idénticos en estos parámetros y que difieren solo en temperaturas iniciales uniformes, el caliente se congelará antes ». [ 13 ] Incluso esta definición no especifica si «congelación» se refiere al punto en el que se ha formado una capa superficial visible de hielo, o al punto en el que el líquido está completamente congelado. [ 12 ]

Una definición generalizada es " Cuando un sistema más caliente se equilibra más rápido que uno más frío cuando ambos se enfrían a la misma temperatura baja " . [ 14 ] En el agua, esto ocurriría cuando el líquido se ha congelado por completo.

La observación de Mpemba

Erasto Mpemba , fotografiado en 1963, de quien recibe su nombre el fenómeno.

El efecto recibe su nombre del estudiante tanzano Erasto Mpemba , quien lo describió en 1963 en el tercer año de la escuela secundaria Magamba, en Tanganyika . Al congelar una mezcla caliente para helado en una clase de cocina, notó que se congelaba antes que una mezcla fría. Posteriormente, se convirtió en estudiante de la escuela secundaria Mkwawa (antes High School) 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 tomas dos recipientes similares con el mismo volumen de agua, uno a 35 °C (95 °F) y el otro a 100 °C (212 °F) , y los colocas en un congelador, el que comenzó a 100 °C (212 °F) se congela primero. ¿Por qué?». Al principio, Osborne pensó que el estudiante estaba equivocado, pero, intrigado por la pregunta, experimentó sobre el tema en su lugar de trabajo y se divirtió al comprobar que podía confirmar el hallazgo de Mpemba. Posteriormente, Osborne y Mpemba publicaron juntos los resultados en 1969, mientras Mpemba estudiaba en el Colegio de Gestión de la Fauna Silvestre Africana . [ 15 ]      

Mpemba y Osborne describieron la colocación de muestras de agua de 70 ml (2,5 onzas líquidas imp .; 2,4 onzas líquidas estadounidenses ) en vasos de precipitados de 100 ml (3,5 onzas líquidas imp .; 3,4 onzas líquidas estadounidenses ) en el congelador de un refrigerador doméstico sobre una lámina de espuma de poliestireno. Demostraron que el tiempo de inicio de la congelación era mayor con una temperatura inicial de 25 °C (77 °F) y que era mucho menor alrededor de los 90 °C (194 °F) . Descartaron la pérdida de volumen de líquido por evaporación y el efecto del aire disuelto como factores significativos. En su configuración, se observó que la mayor parte de la pérdida de calor se producía en la superficie del líquido. [ 15 ]                  

Historia

Los científicos de la antigüedad, incluido Aristóteles , describieron diversos efectos del calor sobre la congelación del agua : «El hecho de que el agua haya sido calentada previamente contribuye a que se congele rápidamente, pues así se enfría antes. Por eso, muchas personas, cuando quieren enfriar agua rápidamente, comienzan poniéndola al sol». [ 16 ] La explicación de Aristóteles se basaba en la antiperistasis : «...el supuesto aumento de la intensidad de una cualidad como resultado de estar rodeada por su cualidad contraria».

Francis Bacon observó que «el agua ligeramente tibia se congela más fácilmente que la que está completamente fría». [ 17 ] René Descartes escribió en su Discurso del método , relacionando el fenómeno con su teoría del vórtice : «Se puede ver por experiencia que el agua que se ha mantenido al fuego durante mucho tiempo se congela más rápido que otra, debido a que aquellas de sus partículas que son menos capaces de dejar de doblarse se evaporan mientras el agua se calienta». [ 18 ]

En 1775, el científico escocés Joseph Black investigó un caso especial del fenómeno comparando agua previamente hervida con agua sin hervir. [ 19 ] Descubrió que el agua previamente hervida se congelaba más rápidamente, incluso controlando la evaporación . Analizó la influencia de la agitación en los resultados del experimento, observando que agitar el agua sin hervir provocaba que se congelara al mismo tiempo que el agua previamente hervida, y también observó que agitar el agua sin hervir muy fría provocaba una congelación inmediata. Posteriormente, Joseph Black analizó la descripción de Daniel Gabriel Fahrenheit sobre el superenfriamiento del agua, argumentando que el agua previamente hervida no podía superenfriarse con tanta facilidad.

Trabajo experimental moderno

Estudios del efecto en el agua

Estudios modernos que utilizan congeladores con propiedades bien definidas han observado el efecto Mpemba, en el que el agua se sobreenfría antes de congelarse. El agua que inicialmente está más fría tiende a alcanzar una temperatura de sobreenfriamiento menor antes de congelarse. Algunos estudios miden el tiempo que tarda una muestra en comenzar a congelarse (el inicio de la recalentamiento , el momento en que comienza a liberarse el calor de congelación ), el tiempo que tarda en congelarse por completo o la diferencia: el tiempo desde el inicio de la recalentamiento hasta la congelación completa. Otros también miden el tiempo que tarda una muestra en alcanzar el punto de congelación del fluido, antes de que comience la congelación.

En 1995, David Auerbach estudió vasos de vidrio colocados en un baño de enfriamiento líquido, donde el agua se sobreenfrió a −6 a −18 °C (21 a 0 °F; 267 a 255 K) antes de congelarse. En algunos casos, el agua que comenzó más caliente comenzó a congelarse primero. [ 20 ] Se observó una variación aleatoria considerable en el tiempo requerido para que comenzara la congelación espontánea, y Auerbach observó el efecto Mpemba con mayor frecuencia cuando la temperatura ambiente estaba entre −6 y −12 °C (21 y 10 °F) . James Brownridge estudió posteriormente una variedad de condiciones iniciales y recipientes, midiendo el tiempo hasta el inicio de la recalentación , y descubrió que, si bien las muestras calientes a veces se congelaban primero, esto también se veía afectado por las propiedades del recipiente que contenía el líquido. [ 21 ]     

En un artículo para New Scientist , Mick O'Hare recomendó comenzar el experimento con recipientes a 35 y 5 °C (95 y 41 °F; 308 y 278 K) , respectivamente, para maximizar el efecto. [ 22 ]   

En 2021, John Bechhoefer describió una forma de reproducir el efecto de manera fiable. [ 23 ] En 2024, Argelia Ortega y colaboradores estudiaron la congelación de pequeñas gotas ( de 1 a 20 ml o de 0,03 a 0,7 onzas líquidas estadounidenses ) en una celda Peltier con una cámara termográfica y descubrieron que las gotas calientes se congelaban consistentemente más rápido que las frías, con una diferencia más pronunciada para las gotas más grandes. En particular, las gotas calientes terminaron de congelarse antes tras el inicio de la recalentamiento y experimentaron un menor pico de temperatura durante el proceso de congelación. [ 24 ]    

Críticas a los experimentos con agua

Algunos investigadores han criticado los estudios del efecto Mpemba por no tener en cuenta los sólidos y gases disueltos, y otros factores de confusión. [ 11 ] Incluso entre los experimentos que coinciden en una definición y observan el efecto Mpemba para algunas configuraciones experimentales, a menudo no lo observan para todas las configuraciones y condiciones iniciales. [ 12 ]

En 2006, Philip Ball, crítico de Physics World, escribió: «Incluso si el efecto Mpemba es real —si el agua caliente a veces se congela más rápido que la fría— no está claro si la explicación sería trivial o esclarecedora». [ 12 ] Ball escribió que las investigaciones del fenómeno necesitan controlar una gran cantidad de parámetros iniciales (incluidos el tipo y la temperatura inicial del agua, los gases disueltos y otras impurezas, el tamaño, la forma y el material del recipiente, el método de enfriamiento y la temperatura del refrigerador) y la necesidad de establecer un método particular para determinar el tiempo de congelación. Ball describió formas sencillas en las que podría observarse el efecto, como si una temperatura más cálida derritiera la escarcha en una superficie de enfriamiento, aumentando así la conductividad térmica entre la superficie de enfriamiento y el recipiente de agua. [ 12 ]

En 2016, Burridge y Linden estudiaron una medida ligeramente diferente: el tiempo que tardaban las muestras de agua en alcanzar los 0  °C sin congelarse. Realizaron sus propios experimentos y revisaron trabajos previos de otros investigadores. En su revisión, señalaron que los grandes efectos observados en los primeros experimentos no se habían replicado en otros estudios de enfriamiento hasta el punto de congelación, y que los estudios que mostraban efectos pequeños podían verse influenciados por variaciones en la posición de los termómetros: «Concluimos, con cierta tristeza, que no hay evidencia que respalde observaciones significativas del efecto Mpemba». [ 25 ]

Estudios del efecto en coloides y otros sistemas.

Sistemas clásicos

Las observaciones originales en el aula sobre el efecto Mpemba se realizaron con helado fresco, un coloide, congelándose en un congelador.

Una versión generalizada del efecto Mpemba es: " cuando un sistema más caliente se equilibra más rápido que uno más frío al enfriarse ambos a la misma temperatura baja ". Esto se ha modelado teóricamente para sistemas simples, como partículas individuales bajo movimiento browniano. [ 14 ]

La posibilidad de un "efecto Mpemba fuerte", donde puede ocurrir un enfriamiento exponencialmente más rápido en un sistema a temperaturas iniciales particulares, fue predicha en 2019 por Klich, Raz, Hirschberg y Vucelja. De existir, el efecto en tales sistemas sería fácil de observar experimentalmente. [ 26 ] En 2020, Avinash Kumar y John Boechhoefer demostraron experimentalmente el efecto Mpemba fuerte en un sistema coloidal de una sola partícula. [ 3 ] En 2022, ese mismo grupo también demostró un "efecto Mpemba inverso" en un coloide de una sola partícula, donde un sistema frío se calienta mucho más rápido que uno más caliente, bajo las condiciones adecuadas. [ 27 ]

Sistemas cuánticos

Desde 2020, los investigadores cuánticos han estudiado los efectos Mpemba en sistemas cuánticos como ejemplo de cómo las condiciones iniciales de un sistema afectan su evolución térmica. En 2024, un equipo del laboratorio de John Goold en el Trinity College describió su análisis cuántico-mecánico de un problema abstracto en el que "un sistema inicialmente caliente se enfría bruscamente en un baño frío y alcanza el equilibrio más rápido que un sistema inicialmente más frío". [ 9 ] Incluyeron estudios computacionales de sistemas de espín que exhiben el efecto, [ 9 ] concluyendo que ciertas condiciones iniciales de un sistema cuántico pueden conducir a un aumento simultáneo en la tasa de termalización y la energía libre . [ 10 ]

En 2025, observaciones experimentales de Zhang et al. encontraron un fuerte efecto Mpemba cuántico para un solo ion atrapado, [ 28 ] y Chatterjee et al. encontraron que el efecto Mpemba ocurre naturalmente durante el enfriamiento de estados de espín nuclear. [ 29 ]

Explicaciones teóricas

Si bien la definición del efecto Mpemba utilizada en los estudios teóricos varía, [ 11 ] se han ofrecido varias explicaciones para 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. Zhiyue Lu y Oren Raz obtuvieron un criterio general basado en la mecánica estadística markoviana , prediciendo la aparición del efecto Mpemba inverso en el modelo de Ising y la dinámica de difusión. [ 30 ] Antonio Lasanta y coautores también predijeron los efectos Mpemba directo e inverso para un gas granular en un estado inicial lejos del equilibrio. [ 31 ] El artículo de Lasanta también sugirió que un mecanismo muy genérico que conduce a ambos efectos Mpemba se debe a una función de distribución de velocidad de partículas que se desvía significativamente de la distribución de Maxwell-Boltzmann . [ 31 ]

En 2024, basándose en el trabajo de Kumar, Isha Malhotra simuló coloides individuales colocados en un potencial diferente de doble pozo y predijo condiciones bajo las cuales dos rangos específicos de temperaturas iniciales más altas conducen a una congelación más rápida, pero no las temperaturas entre esos rangos. [ 4 ]

El superenfriamiento es un componente de muchas explicaciones teóricas, en particular la tendencia de los líquidos calientes que se enfrían rápidamente a comenzar a congelarse a una temperatura de superenfriamiento más alta. [ 32 ] [ 21 ] Varias simulaciones de dinámica molecular también han respaldado que los cambios en los enlaces de hidrógeno durante el superenfriamiento juegan un papel en el proceso. [ 33 ] [ 34 ] En 2017, Yunwen Tao y coautores sugirieron que la gran diversidad y la peculiar aparición de diferentes enlaces de hidrógeno podrían contribuir al efecto. Argumentaron que el número de enlaces de hidrógeno fuertes aumenta a medida que se eleva la temperatura, y que la existencia de pequeños cúmulos fuertemente enlazados facilita a su vez la nucleación de hielo hexagonal cuando el agua caliente se enfría rápidamente. Los autores utilizaron espectroscopia vibracional y modelado con cúmulos de agua optimizados mediante la teoría del funcional de la densidad . [ 6 ]

Se han propuesto las siguientes explicaciones adicionales:

Andrei A. Klimov y Alexei V. Finkelstein afirman que existe una gran variabilidad en la velocidad de congelación, lo que explica el efecto Mpemba como de origen estocástico. [ 39 ]

Véase también

Referencias

Notas

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