per Mikel Ocio Moliner
Ha arribat nadal, i les xarxes s’han inundat de vídeos amb Mariah Carey de fons. Entre aquests, sempre en trobem algun on, enmig d’un paratge glacial (siga Minnesota o Sòria, depèn de l’algorisme), es llença aigua bullent d’una olla a l’aire, que es congela pràcticament a l’instant a causa de la gèlida temperatura ambient. Però, sabíeu que si es fa amb aigua freda, no es produeix aquest canvi de líquid a sòlid?
Qui bé busca, bé troba
Per a conéixer si bé no l’origen, però el responsable de dur aquesta qüestió a la comunitat científica i popularitzar-la, hem d’anar a latituds més equatorials. En concret, fins a Magamba, un poble de vora 14000 habitants al nord de Tanzània.
L’any 1963, Erasto Mpemba, un estudiant de secundària, era a l’institut preparant gelats amb la resta de la seua classe. Per fer-ho, havia de bullir la llet, mesclar-la amb sucre i, un cop s’havia refredat fins a estar a temperatura ambient, posar-ho tot dins del congelador, costat a costat amb els gelats dels seus companys. Però, per por de quedar-se sense espai i probablement contravenint la garantia del refrigerador, Mpemba va posar la mescla al congelador amb la llet encara calenta. Quina fou la seua sorpresa quan, hora i mitja després, va veure que la seua mescla s’havia congelat mentre que les cubetes dels seus companys, que no havien bullit la llet, encara estaven líquides.
Mpemba es va quedar amb la mosca darrere de l’orella, i un parell de cursos més tard, li va preguntar per què ocorria açò al seu professor mentre estaven estudiant la llei de Newton del refredament. Aquesta llei estableix que el ritme en què es refreda un objecte és proporcional a la diferència entre la seua temperatura i la de l’ambient. El tutor, en veure que l’alumne insistia a contradir-lo, va concloure que allò era “física Mpemba”, i no física universal.
Mpemba no va deixar que aquesta resposta cruel l’apartara d’una explicació, i aprofitant la visita del professor de física Denis Osborne, de la Universitat de Dar es Salaam, li va plantejar de nou la qüestió. Aquest va rebre la pregunta amb cautela, però es va comprometre a fer l’experiment al seu laboratori. Sorprenentment, va veure que l’aigua calenta tardava considerablement menys temps en congelar-se que la freda, i va publicar amb Mpemba el seu treball (en un article que recomano encaridament) a Physics Education l’any 1969.
Eixe mateix any, George Kell, a Ottawa (on tenen més experiència amb la congelació), descrivia el mateix fenomen, i apuntava al coneixement popular que no s’ha de netejar el cotxe amb aigua calenta, ja que es congelarà abans. No obstant això, per a tenir la primera descripció d’aquest efecte, cal anar fins a la Grècia d’Aristòtil, qui en Meteorologica explicava que aquest fet era conegut pels habitants de Pontus quan pescaven al gel. També Francis Bacon, o Descartes, en el seu Discurs del mètode, van apuntar aquests fets.
Cercant respostes
El principal problema a què s’enfronta l’efecte Mpemba, més enllà de ser contraintuïtiu, és la seua falta de reproductibilitat. És a dir, de vegades ocorre, i de vegades no. Per tal de solucionar-lo, una de les primeres coses que es pot fer és revisar la declaració “l’aigua calenta es congela més de pressa que la freda”, ja que empra termes prou vagues. L’any 2005, Monwhea Jeng va proposar una definició més acurada: “Hi ha un conjunt de paràmetres inicials i de temperatures, de manera que donades dues masses d’aigua idèntiques en aquests paràmetres i que només difereixen en les seues temperatures, la calenta es congela abans”.
El punt important aquí és la menció a la varietat de paràmetres que poden influir en aquest procés: el volum i la puresa de l’aigua emprada, la forma i la mida del recipient, la temperatura del congelador i la superfície en contacte amb la mostra, i un llarg etcètera.Per tal de dissipar aquest núvol d’incertesa, l’any 2012, la Royal Society of Chemistry va organitzar una competició amb l’objectiu d’aclarir quin és el mecanisme darrere d’aquest fenomen. El guanyador va ser Nikola Bregovic, qui discutia la validesa de quatre dels mecanismes proposats més populars: l’efecte dels gasos dissolts, el sobrerefredament, l’evaporació i la convecció (Figura 2).
En primer lloc, ens hem de posar d’acord en què entenem per congelació. És el moment en què l’aigua arriba als 0 °C o el moment en què apareixen els primers cristalls de gel? Aquest procés, conegut com a nucleació del gel, té un component d’atzar i està afavorit per la presència d’impureses en forma pols o gasos dissolts (Figura 2A). El percentatge de gas en l’aigua depèn de la temperatura, però aquesta dependència està lluny de ser trivial. Així, no és suficient per a explicar l’efecte Mpemba, que a més també s’ha observat en aigua desgasada.
D’altra banda, podem tindre aigua líquida per sota dels 0 °C. Parlem llavors d’un estat de la matèria anomenat sobrerefredament (Figura 2B). Aquest és un estat metaestable, és a dir, qualsevol canvi conduirà al sistema a un estat més estable (en aquest cas, l’estat sòlid, el gel). Per tant, per eliminar la component aleatòria de la nucleació i evitar el paper del sobrerefredament, prendrem com a referència per a observar l’efecte Mpemba el moment en què l’aigua arriba als 0 °C.
L’evaporació de l’aigua calenta pot contribuir a que es congele més ràpidament pel simple fet que si s’evapora part del líquid, hi haurà menys massa de líquid a refredar (Figura 2C). Com el ritme d’evaporació augmenta amb la temperatura i el temps que tarda a congelar-se també és proporcional a la massa, l’efecte Mpemba és possible. De fet, aquesta és l’explicació que va proposar George Kell, i descriu el cas de la Figura 1. El problema és que la diferència en massa entre una mostra calenta i una freda mai passa del 3%. A més, per desconsiderar aquest efecte, només cal posar-li una tapa a la mostra.
Finalment, cal considerar la convecció induïda pel gradient de temperatura, l’explicació a què originalment van recórrer Mpemba i Osborne (Figura 2D). Quan col·loquem una mostra dins del congelador, l’aigua en contacte amb les parets de la cubeta es refredarà més ràpidament, i apareixerà una diferència o gradient de temperatura entre aquesta zona i el centre de la mostra.
Com a conseqüència, apareixerà un flux de calor del centre cap a les parets per tal d’igualar la temperatura. Aquest flux es coneix com a convecció, i és el mecanisme que descriu la transferència de calor en una olla amb aigua bullent o en el mantell terrestre. Com el gradient és major en el cas de l’aigua calenta, indueix un flux major, que afavoreix que arribe abans als 0 °C.
Un debat candent
Lluny d’haver arribat a un consens després d’aquest concurs, aquest efecte continua sent objecte de controvèrsia. Quatre anys més tard, un grup de la Universitat de Cambridge va publicar un estudi on qüestionaven la seua existència. Entre els principals arguments sostenien que, si aquest fenomen era cert, les propietats de l’aigua no dependrien sols de la temperatura sinó de com s’arriba a ella.
A més, assenyalaven la presència d’errors en moltes de les mesures publicades, com a resultat de la falta de consistència en els dissenys experimentals, on coses tan simples com la posició en què es col·loca el termòmetre poden influir en el resultat. Finalment, desmuntaven l’argument de la convecció mostrant com l’efecte no es produïa en unes condicions on hi havia més convecció que en el cas original.
Però, en un últim gir dels esdeveniments, a principis de la nostra dècada van aparéixer estudis que van verificar el fenomen en el context dels sistemes petits i la termodinàmica del no equilibri (us deixo un article d’El País on s’explora en profunditat). La part interessant d’aquests estudis és que expandeixen el rang d’aplicabilitat d’aquest efecte més enllà de l’aigua, que és un element amb moltes particularitats. Obren la porta a la seua existència a les transicions de fase (és a dir, als canvis d’estat) en general, un camp de la física actualment prolífic i efervescent.
Ja per acabar
Podem fer dues lectures interessants d’aquesta història. En primer lloc, és fascinant que un problema com el de la congelació de l’aigua encara plantege tantes incògnites hui en dia. Que un fenomen tan omnipresent continue sent un motor que engegue recerca puntera bé mereix una reflexió. Però, sense voler llevar-li mèrit a l’aigua, que com bé sabem és un sistema molt especial, vull tornar a la història de Mpemba. És la prova fefaent de què no hi ha preguntes absurdes i un exemple preciós de fins on ens pot portar la perseverança i, sobretot, la curiositat. De com un experiment senzill és capaç d’inspirar des de centenars de projectes científics de fira d’institut (perdó per l’americanada) fins a debats dins de la comunitat científica que empenyen els límits de la nostra comprensió de la realitat.
Per saber-ne més
Viquipèdia – Efecte Mpemba
Ciència Oberta – Per què s’eixuga la roba? – Els canvis d’estat
El País – Cuando el agua caliente se congela más rápido que la fría: así funciona el efecto Mpemba
Sobre l’autor: Mikel Ocio Moliner
Nascut i criat al sud del Sénia, vaig estudiar Física a la UV, més per no complicar-me triant carrera científica que per vocació. M’interessen els fenòmens complexos en què convergeixen diferents disciplines, raó per la qual vaig acabar en el món de la biofísica. Espero apropar-vos la ciència que hi ha darrere d’històries quotidianes.
Referències
Mpemba, E. B., & Osborne, D. G. (1969). Cool?. Physics Education, 4(3), 172-175.
Kell, G. S. (1969). The freezing of hot and cold water. Am. J. Phys, 37(5), 564-565.
Bregović, N. (2012). Mpemba effect from a viewpoint of an experimental physical chemist. See https://www. rsc. org/images/nikola-bregovic-entry_tcm18-225169. pdf.
Burridge, H. C., & Linden, P. F. (2016). Questioning the Mpemba effect: hot water does not cool more quickly than cold. Scientific Reports, 6(1), 1-11.
Bechhoefer, J., Kumar, A., & Chétrite, R. (2021). A fresh understanding of the Mpemba effect. Nature Reviews Physics, 3(8), 534-535.
Imatge 1 extreta d’Alfredo Ristol, CC BY-NC 2.0
Revisors: Mar Barrantes Cepas, Nil Salvat Rovira, Víctor Naharro Oriol
