La física de por qué el agua caliente a veces se congela más rápido que el agua fría

La historia cuenta que, en 1963, el estudiante de secundaria tanzano Erasto Mpemba estaba preparando un helado con su clase cuando, impaciente, puso su brebaje de azúcar y leche en la batidora de helados cuando aún estaba caliente, en lugar de dejarlo enfriar primero. Para su sorpresa, el helado se enfrió más rápido que el de sus compañeros.

Con la ayuda de un profesor de física, Mpemba realizó otros experimentos poniendo dos vasos de agua, uno recién hervido y otro caliente, en un congelador, y viendo cuál llegaba primero a la línea de meta de la congelación. A menudo, el agua con una temperatura inicial más alta era la primera en congelarse. Sus observaciones desencadenaron un debate de décadas sobre la existencia y los detalles del fenómeno contraintuitivo, ahora llamado efecto Mpemba.

Ahora, una nueva investigación publicada el 5 de agosto en la revista Nature no sólo muestra que el efecto Mpemba existe, sino que también arroja luz sobre cómo se produce, informa Emily Conover para Science News.

En lugar de experimentar con la congelación del agua, cuyo estudio es sorprendentemente complicado, los físicos Avinash Kumar y John Bechhofer, de la Universidad Simon Fraser, centraron sus miras -y los láseres- en cuentas de vidrio microscópicas. Midieron cómo se movían las cuentas de vidrio en condiciones muy específicas en el agua y vieron que, en algunas circunstancias, las cuentas que empezaban muy calientes se enfriaban más rápido que las que no lo hacían.

«Es uno de estos montajes muy sencillos, y ya es lo suficientemente rico como para mostrar este efecto». dice la física teórica de la Universidad de Virginia Marija Vucelja a Science News. El experimento también sugiere que el efecto podría aparecer en otros materiales además del agua y las perlas de vidrio. Vucelja dice: «Me imagino que este efecto aparece de forma bastante genérica en la naturaleza en otros lugares, sólo que no le hemos prestado atención».

Si el punto de congelación es la línea de llegada, entonces la temperatura inicial es como el punto de partida. Así que tendría sentido que una temperatura inicial más baja, con menos distancia a la meta, sea siempre la primera en alcanzarla. Con el efecto Mpemba, a veces el agua más caliente llega primero a la meta.

Pero la cosa se complica. Por un lado, el agua suele tener otras cosas, como minerales, mezcladas. Y los físicos no se ponen de acuerdo sobre qué es exactamente la línea de llegada: ¿es cuando el agua de un recipiente alcanza la temperatura de congelación, empieza a solidificarse o se solidifica completamente? Estos detalles hacen que el fenómeno sea difícil de estudiar directamente, escribe Anna Demming para Physics World.

El nuevo experimento elimina los detalles que hacen que el efecto Mpemba sea tan turbio. En cada prueba, dejaron caer una cuenta de vidrio microscópica en un pequeño pozo de agua. Allí, utilizaron un láser para ejercer fuerzas controladas sobre la cuenta, y midieron la temperatura de la misma, según Science News. Repitieron la prueba más de 1.000 veces, dejando caer las perlas en diferentes pozos y comenzando a diferentes temperaturas.

Bajo ciertas fuerzas del láser, las perlas más calientes se enfriaron más rápido que las de menor temperatura. La investigación sugiere que el camino más largo desde una temperatura más alta hasta el punto de congelación podría crear atajos para que la temperatura de la perla caliente pueda alcanzar la línea de meta antes que la perla más fría.

Bechhoefer describe el sistema experimental como una forma «abstracta» y «casi geométrica» de imaginar el efecto Mpemba a Physics World. Pero utilizando el sistema, él y Kumar identificaron las «temperaturas iniciales» óptimas para un efecto de enfriamiento Mpemba.

«En cierto modo sugirió que todas las peculiaridades del agua y el hielo -todas las cosas que hicieron que el efecto original fuera tan difícil de estudiar- podrían ser en cierto modo periféricas», dice Bechhoefer a Physics World.