¿El agua caliente realmente se congela más rápido que el frío? ? Jennifer Ouellette describe lo que podría ser una nueva comprensión teórica del llamado efecto Mpemba y por qué predice que el agua fría podría calentarse más rápido que el agua tibia
La comida está lista. Las bebidas están en la nevera. Está todo listo para una fabulosa fiesta festiva. ¡Maldita sea! No tienes cubitos de hielo y los invitados deben entregarse en un par de horas. Corres a tu tienda de conveniencia local, pero está limpio de bolsas de fiesta con cubitos de hielo. Que no cunda el pánico: eres físico y has oído hablar del «efecto Mpemba», que el agua caliente se congela más rápido que el agua tibia o fría. Así que llenas la bandeja de cubitos de hielo con el grifo caliente y la colocas en el congelador. Pánico ¿O no?
Los científicos aún no tienen claro los mecanismos precisos detrás de este fenómeno contrario a la intuición, o incluso si el efecto Mpemba existe, ya que ha demostrado ser tremendamente difícil de reproducir de manera consistente. En el último giro, dos físicos han trazado un marco teórico generalizado de cómo un evento tan inusual podría ocurrir en sistemas simples. «El efecto Mpemba no es algo especial para el agua», dice Oren Raz del Instituto Weizmann de Ciencias en Israel, quien desarrolló la teoría con Zhiyue Lu de la Universidad de Chicago en los Estados Unidos (PNAS 114 5083). «Debería haber diferentes sistemas con esencialmente el mismo efecto».
La teoría de Raz y Lu también predice un efecto Mpemba inverso: que bajo ciertas condiciones, un sistema más frío podría calentarse más rápido que uno cálido. De ser cierto , sería una buena noticia para aquellos que creen que el agua fría hierve más rápido que el agua tibia o caliente, lo que hasta la fecha ha sido descartado en gran medida como un mito científico. Su trabajo también ha inspirado a científicos de España a diseñar su propio modelo teórico mostrando que el Mpemba El efecto podría ocurrir en un fluido granular que consiste en esferas suspendidas en un líquido.
Convención desafiante
La noción de que el agua caliente se congela más rápido que el frío lleva el nombre de Erasto Mpemba. En 1963, mientras era un escolar en Tanzania, notó que su helado casero se congelaba más rápido que los lotes de sus compañeros de escuela si no enfriaba la leche hervida antes de colocarla en el congelador. De hecho, no enfriar la leche antes de congelarla era una práctica común entre los vendedores de helados locales En el momento. Pero la observación de Mpemba no concordaba con lo que le habían dicho sobre la ley de enfriamiento de Newton, que dice que la velocidad a la que un cuerpo se enfría es proporcional a la diferencia de temperatura entre ese cuerpo y su entorno.
Los jóvenes Mpemba desafió a su maestro a que explicara su observación, y fue ridiculizado por su problema (el maestro lo descartó sarcásticamente como «la física de Mpemba»). Pero cuando Denis Osborne, un físico del University College Dar es Salaam, visitó la escuela de Mpemba, el niño posó Osborne prometió probar el experimento cuando regresara a su universidad. Personalmente, pensó que el chico estaba equivocado, pero sintió que ninguna pregunta debería ser ridiculizada, y admitió que podría haber otros factores desconocidos que afecten la velocidad de enfriamiento. La sorpresa de Osborne, los experimentos funcionaron y terminó siendo coautor de un artículo ingenioso. h Mpemba en 1969 (Phys. Ed. 4 172).
El efecto Mpemba ha sido un elemento básico de los experimentos educativos de bricolaje en el hogar desde entonces, pero él no fue el primero en notarlo. Alrededor del 350 a. C., Aristóteles observó que era costumbre local poner agua al sol primero si se quería que el líquido se enfriara más rápidamente. Roger Bacon y (cuatro siglos después) Francis Bacon también defendieron la existencia de tal efecto, al igual que René Descartes. Y durante los últimos 10 a 15 años, los científicos han estado observando más de cerca el efecto Mpemba, con la esperanza de descubrir las causas precisas de un fenómeno tan contrario a la intuición. La Royal Society of Chemistry incluso patrocinó un concurso en 2012, invitando a científicos de todo el mundo a ofrecer sus explicaciones; sin embargo, ninguno de los más de 20.000 artículos presentados arrojó un consenso amplio.
Explicaciones rivales Una de las explicaciones más comunes presentadas por los científicos a lo largo de los años se centra en la influencia del calor convectivo transferencia, en la cual el agua forma corrientes de convección a medida que se calienta, transfiriendo el líquido caliente a la superficie, donde se evapora. Como resultado de este efecto, una taza abierta con agua caliente se evaporaría más rápidamente que un recipiente similar con agua fría, por lo que el líquido restante se congelaría más rápido. Pero esto limitaría el efecto a los vasos abiertos, y algunos experimentos también han observado el efecto en vasos cerrados.
El sobreenfriamiento, donde el agua puede permanecer en estado líquido muy por debajo de su punto de congelación habitual, también puede estar involucrado, siempre que el agua esté suficientemente libre de impurezas, que de otra manera ayudarían a los líquidos a cristalizar en un sólido. De hecho, en 1995 David Auerbach, un físico que entonces trabajaba en el Instituto Max Planck de Dinámica de Fluidos en Göttingen, Alemania, llevó a cabo experimentos que sugerían que el agua fría se sobreenfría a una temperatura más baja que el agua caliente (Am. J. Phys. 63 882). . Sus experimentos revelaron que el efecto Mpemba ocurre cuando aparecen cristales de hielo en un líquido superenfriado a temperaturas más altas, lo que significa que, en tales casos, el agua caliente parecería congelarse primero. Sin embargo, en 2009, Jonathan Katz de la Universidad de Washington en St. Louis sugirió que quizás los solutos como el carbonato de calcio o el carbonato de magnesio en agua fría tienen la clave: ralentizan el proceso de congelación, dando al agua caliente la ventaja (Am. J. Phys. 77). 27).
Más recientemente, los químicos que realizan simulaciones moleculares han sugerido que el efecto Mpemba podría estar relacionado con la naturaleza inusual de los enlaces de hidrógeno en el agua (J. Chem. Theory y Comp. 13 55). Estos enlaces intermoleculares, que son más débiles que los enlaces covalentes que mantienen unidos a los átomos de hidrógeno y oxígeno dentro de cada molécula, se rompen cuando se calienta el agua. Las moléculas de agua luego forman fragmentos y se vuelven a alinear en la estructura cristalina del hielo, iniciando el proceso de congelación. Dado que el agua fría primero debe romper esos débiles enlaces de hidrógeno antes de que pueda comenzar la congelación, tiene sentido que el agua caliente comience a congelarse antes que la fría. «Tendemos a suponer que el agua a baja temperatura debería estar más cerca de la cristalización», dice William Goddard, químico del Instituto de Tecnología de California (Caltech), quien ha modelado mecanismos similares que muestran que el agua a baja temperatura en realidad está más lejos de ese punto. (2015 J. Phys. Chem. C. 119 2622).
Desafortunadamente, ninguna de estas explicaciones propuestas ha demostrado ser lo suficientemente convincente como para influir en los científicos escépticos. Y los intentos más recientes de reproducir el efecto de manera consistente en experimentos de laboratorio han Charles Knight, que estudia el hielo en el Centro Nacional de Investigación Atmosférica en Boulder, Colorado, recordó memorablemente a Physics World (febrero de 2006, págs. 19-21) sus propios experimentos, atrapado en una habitación a -15 ° C esperando que el agua congelar en bandejas de cubitos de hielo. A pesar de sus mejores esfuerzos por lograr uniformidad, algunas bandejas comenzaron a congelarse en 15 minutos, otras tardaron más de una hora.
Ese tipo de alta variabilidad es típico de los experimentos de Mpemba «. Sugiere a mi que si el efecto existe, entonces depende de factores que la gente todavía no controla muy bien ”, dice Greg Gbur, físico de la Universidad de Carolina del Norte en Charlotte, quien ha estado fascinado durante mucho tiempo por el efecto Mpemba. «Hay muchos otros parámetros que podrían entrar en juego, pequeñas diferencias entre dos muestras aparentemente idénticas, además de la temperatura. Cuando las cosas cambian muy rápidamente, hay todo tipo de dinámicas internas que podrían estar afectando».
Algunos científicos dudan que el efecto exista. Henry Burridge, del Imperial College de Londres, es uno de esos escépticos. El año pasado, él y sus colegas midieron cuánto tiempo tardaban las muestras de agua fría y caliente en enfriarse a 0 ° C, temperatura a la que el agua se congela. No observaron nada en ninguno de esos experimentos que pudiera servir como evidencia de algún tipo de efecto Mpemba, según Burridge (2016 Sci. Rep. 6 37665).
Otros han argumentado que este podría ni siquiera ser el parámetro correcto para medir, ya que en muchos casos el agua no se congelará en su llamado punto de congelación. Además, se considera algo congelado cuando se forman los primeros cristales de hielo, o cuando el líquido en un recipiente determinado está completamente congelado? «O Se indicó rigurosamente que el agua caliente se congela primero ”, dice Raz. «¿Pero cómo se decide el momento en el que algo se congela? No es un momento concreto, es un proceso».
Fuera de equilibrio
Por eso se desarrolló el nuevo marco teórico de Raz y Lu se centra en un parámetro diferente que no depende de una definición específica. En cambio, trata los procesos de enfriamiento como si estuvieran fuera de equilibrio. Se dice que un sistema está en equilibrio cuando sus propiedades básicas no cambian con el tiempo. Todos debe comprender, por ejemplo, un gas perfectamente difundido encerrado en una caja, es su volumen, temperatura y el número total de moléculas de gas.
Pero muchos fenómenos naturales, desde terremotos y turbulencias de aire hasta enfriamiento rápido o cambio climático: ocurren cuando las cosas están lejos del equilibrio en un sistema abierto. Para comprender estos fenómenos de no equilibrio, se necesitan muchos más que solo tres números.Mientras que el comportamiento promedio de las moléculas en una caja en equilibrio será en gran medida el mismo en todos los puntos, en condiciones de no equilibrio la temperatura puede ser diferente en cada punto y la densidad puede ser diferente en cada punto. Eso es lo que hace que los sistemas sin equilibrio sean un campo de investigación tan desafiante.
A Raz y Lu se les ocurrió esta idea mientras tomaban un café cuando ambos estaban en la Universidad de Maryland. Parque. Raz había leído un artículo reciente sobre los sistemas «markovianos», que son aquellos en los que un objeto está acoplado a un baño termal que no se ve afectado por el sistema. Un ejemplo de un sistema markoviano es una taza de café caliente conectada a la atmósfera: cuando el café se enfría, la atmósfera esencialmente no cambia. Sin embargo, un refrigerador se ve afectado si coloca una taza de café caliente dentro, lo que lo convierte en un sistema «no markoviano».
El periódico miró cómo los sistemas de Markov se relajan hasta el equilibrio, y Lu pensó que podría estar relacionado con el efecto Mpemba. En la versión más simple de su modelo, consideran un sistema base en equilibrio, como el interior frío de un refrigerador, y dos sistemas inicialmente más calientes, uno relativamente más caliente que el otro. A medida que se enfrían, estos dos sistemas se relajan hacia el estado básico de equilibrio. Raz y Lu demostraron que en estas condiciones, el sistema más caliente puede evitar el más frío en términos de la tasa de cambio de temperatura, esencialmente tomando un «camino» más corto hacia el equilibrio; es decir, enfriar más rápido. Entonces, mientras que un café caliente en su el escritorio se enfría de acuerdo con la ley de enfriamiento de Newton, el café colocado en un refrigerador se enfría de manera diferente a medida que el café interactúa con el refrigerador en una especie de «enfriamiento».
En sus simulaciones, Raz y Lu realmente descubrieron la inversa El efecto Mpemba primero porque Raz había estado modelando procesos de calentamiento y les resultó fácil establecer los parámetros para producir un efecto de calentamiento inverso. Solo después, al invertir ese modelo, produjeron un efecto similar al de Mpemba de aplicación más general. Pero para asegurarse de que este efecto de derivación no se limitara solo a ese modelo, lo extendieron a un sistema más complicado conocido como «modelo de Ising», que se usa ampliamente en física para modelar las transiciones de fase en todo, desde ferromagnetismo y proteínas. plegado a redes neuronales y la dinámica de las aves en bandada.
El modelo de Ising se representa típicamente como una red 2D, con, en el caso de materiales magnéticos, una partícula en cada punto de la cuadrícula. Cada partícula puede estar en uno de los dos estados: girar «arriba» o girar «abajo». A los giros les gusta alinearse en paralelo con sus vecinos porque al hacerlo se reduce la energía general del sistema. De hecho, si enfría un material ferromagnético por debajo de un punto crítico, la «temperatura de Curie», los giros se ajustan hasta que están perfectamente ordenados, formando un estado de equilibrio: un ferromagnético.
Se puede observar un efecto similar al de Mpemba si se tienen dos sistemas no magnéticos por encima de la temperatura de Curie y acoplarlos a un baño de calor frío que se encuentra por debajo de la temperatura de Curie. A medida que el sistema se enfría, los giros se girarán para que se alineen en paralelo y pierdan su exceso de energía en el baño de calor. Si el sistema «caliente» magnetiza antes que el «frío», tiene un efecto similar al de Mpemba. Es más, si los giros obtienen energía del baño y se vuelven antiparalelos, se ve el efecto Mpemba inverso. Raz y Lu en realidad estudiaron anti-ferromagnetos (no ferromagnetos) en los que los espines quieren alinearse en antiparalelo entre sí, pero los principios son los mismos. Además, no observaron estrictamente una transición de fase ya que no estudiaron un sistema 2D, sino una cadena Ising 1D con 15 giros, donde los enlaces solo interactúan con sus vecinos más cercanos. «Pero no se necesita la transición de fase para ver el efecto», dice Raz. «Es suficiente ver que la magnetización escalonada (la diferencia en la magnetización entre vecinos) se cruza, es decir, que el sistema inicialmente caliente tiene un valor más bajo, y se hace más grande antes que el del sistema frío ”.
Mentes escépticas
Siempre escéptico, Burridge declara que el trabajo es» una teoría interesante, pero no está demostrado que tales efectos puedan ser observado en cualquier situación práctica. ”Los autores lo admiten en la introducción de su artículo. Estos son modelos muy simples para demostrar una prueba general de principio, y Raz y Lu aún no han extendido su teoría al agua, que es un sistema complejo que es muy difícil de simular. «El agua es complicada, con muchas propiedades inusuales», dice Raz, señalando que el hielo, por ejemplo, es menos denso que el agua, no más denso, como cabría esperar.
Aún así, Gbur cree que este nuevo marco teórico es «posiblemente un cambio de juego» en términos del efecto Mpemba y ya ha inspirado estudios sobre el mismo en materiales granulares «. Anteriormente, nunca había habido un estudio cuantitativo mostrando que es posible que las cosas calientes se congelen o alcancen la temperatura de equilibrio más rápido que las cosas más frías ”, dice. Goddard lo llama «una exposición elegante y un análisis matemático novedoso», aunque admite ser escéptico de que finalmente explique el efecto Mpemba en el agua.
Todo se reduce a lo que sucede a continuación «. «Por un lado, tenemos muchos experimentos inciertos y, por otro, tenemos un buen modelo teórico, pero solo para sistemas simples», dice Gbur. «Lo próximo natural sería encontrar un sistema intermedio donde la teoría y el experimento pudieran compararse directamente». Eso es exactamente en lo que Raz y Lu se están enfocando ahora, colaborando, por ejemplo, con John Bechhoefer en la Universidad Simon Fraser en Canadá para identificar sistemas potenciales que podrían exhibir el efecto Mpemba inverso en las condiciones adecuadas. Entonces podrían diseñar un experimento a medida. para probar esa predicción.
Es otro paso más hacia un marco teórico sólido para el fenómeno. Gbur, por ejemplo, los está apoyando. «Es una idea tan genial», dice, «casi Sería una lástima que el efecto Mpemba resultara no ser cierto en este momento «. Sin embargo, si los invitados a la fiesta quedarán satisfechos con su explicación sobre la falta de cubitos de hielo, bueno, eso está por verse.
Efectos granulares
Oren Raz y el modelo de Zhiyue Lu del efecto Mpemba ya ha inspirado a Antonio Lasanta, Andrés Santos y Francisco Vega Reyes de la Universidad de Extremadura en España, junto con Antonio Prados de la Universidad de Sevilla, para diseñar su propio modelo teórico mostrando un efecto Mpemba en un fluido, que consiste en partículas esféricas suspendidas en un fluido (Phys. Rev. Lett. 119 148001). La clave de su modelo, que también predice un efecto inverso, es que su fluido granular contiene esferas duras inelásticas. Así que cuando chocan, las partículas pierden energía a través de mecanismos distintos a la pérdida térmica. Las «partículas calientes» chocan con más frecuencia que las «partículas frías» y pueden enfriarse lo suficiente. Cientificamente rápido para superarlos, cuando la dispersión de energía inicial del primero es lo suficientemente grande.
Lo que es interesante también es que los experimentos originales de Mpemba fueron con leche, que también consiste en muchas partículas grandes suspendidas en agua. Por tanto, el trabajo de los científicos españoles puede ser un modelo más cercano a lo que realmente hizo Mpemba. Incluso podría resultar relevante para el agua. Después de todo, si la muestra no es pura pero tiene partículas de soluto igualmente grandes, esas impurezas podrían ser un factor que contribuya al efecto Mpemba.
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