La fisica del perché l’acqua calda a volte congela più velocemente dell’acqua fredda

La storia racconta che nel 1963, lo studente tanzaniano Erasto Mpemba stava preparando il gelato con la sua classe quando, impaziente, mise il suo intruglio di zucchero e latte nella macchina del gelato quando era ancora caldo, invece di lasciarlo raffreddare prima. Con sua sorpresa, l’impasto si raffreddò più velocemente di quello dei suoi compagni di classe.

Con l’aiuto di un professore di fisica, Mpemba fece altri esperimenti mettendo due bicchieri d’acqua, uno appena bollito e uno caldo, in un congelatore, e vedendo quale raggiungeva per primo il traguardo del congelamento. Spesso, l’acqua con una temperatura iniziale più alta era la prima a congelare. Le loro osservazioni hanno dato il via a una discussione decennale sull’esistenza e i dettagli del fenomeno controintuitivo, ora chiamato effetto Mpemba.

Ora, una nuova ricerca pubblicata il 5 agosto sulla rivista Nature non solo dimostra che l’effetto Mpemba esiste, ma fa anche luce su come si verifica, riferisce Emily Conover per Science News.

Piuttosto che sperimentare sul congelamento dell’acqua, che è sorprendentemente complicato da studiare, i fisici Avinash Kumar e John Bechhofer della Simon Fraser University hanno puntato i loro occhi e il laser su microscopiche perle di vetro. Hanno misurato come le perle di vetro si muovevano in condizioni molto specifiche in acqua e hanno visto che in alcune circostanze, le perle che iniziavano molto calde si raffreddavano più velocemente di quelle che non lo facevano.

“È uno di questi setup molto semplici, ed è già abbastanza ricco per mostrare questo effetto”. dice a Science News la fisica teorica dell’Università della Virginia Marija Vucelja. L’esperimento suggerisce anche che l’effetto potrebbe manifestarsi in materiali diversi dall’acqua e dalle perle di vetro. Vucelja dice: “Immagino che questo effetto appaia abbastanza genericamente in natura altrove, solo che non ci abbiamo prestato attenzione.”

Se il punto di congelamento è il traguardo, allora la temperatura iniziale è come il punto di partenza. Quindi avrebbe senso che una temperatura iniziale più bassa, con meno distanza dal traguardo, sia sempre la prima a raggiungerlo. Con l’effetto Mpemba, a volte l’acqua più calda raggiunge il traguardo per prima.

Ma le cose si complicano. Per prima cosa, l’acqua di solito ha altre cose, come i minerali, mischiate. E i fisici non sono d’accordo su quale sia esattamente il traguardo: è quando l’acqua in un contenitore raggiunge la temperatura di congelamento, comincia a solidificarsi o si solidifica completamente? Questi dettagli rendono il fenomeno difficile da studiare direttamente, scrive Anna Demming per Physics World.

Il nuovo esperimento elimina i dettagli che rendono l’effetto Mpemba così oscuro. In ogni test, hanno lasciato cadere una microscopica perla di vetro in un piccolo pozzo d’acqua. Lì, hanno usato un laser per esercitare forze controllate sulla perlina, e hanno misurato la temperatura della perlina, per Science News. Hanno ripetuto il test più di 1.000 volte, lasciando cadere le perle in diversi pozzetti e partendo da diverse temperature.

Sotto certe forze dal laser, le perle più calde si sono raffreddate più velocemente di quelle a bassa temperatura. La ricerca suggerisce che il percorso più lungo da una temperatura più alta al punto di congelamento potrebbe creare scorciatoie in modo che la temperatura della perlina calda possa raggiungere il traguardo prima della perlina più fredda.

Bechhoefer descrive il sistema sperimentale come un modo “astratto” e “quasi geometrico” per immaginare l’effetto Mpemba a Physics World. Ma usando il sistema, lui e Kumar hanno identificato le “temperature iniziali” ottimali per un effetto di raffreddamento Mpemba.

“Ha suggerito che tutte le peculiarità dell’acqua e del ghiaccio – tutte le cose che hanno reso l’effetto originale così difficile da studiare – potrebbero essere in un certo senso periferiche”, dice Bechhoefer a Physics World.