The Physics of Why Hot Water Sometimes Freezes Faster Than Cold Water

A história conta que em 1963, o estudante de liceu tanzaniano Erasto Mpemba estava a fazer gelado com a sua turma quando impacientemente colocou a sua mistura de açúcar e leite na batedeira do gelado quando ainda estava quente, em vez de a deixar arrefecer primeiro. Para sua surpresa, a confeitaria esfriou mais rápido do que seus colegas de classe tinham.

Com a ajuda de um professor de física, Mpemba fez experimentos adicionais colocando dois copos de água, um apenas cozido e outro quente, em um freezer, e vendo qual deles chegava primeiro à linha de chegada do congelamento. Muitas vezes, a água com uma temperatura inicial mais alta foi a primeira a congelar. Suas observações desencadearam uma discussão de décadas sobre a existência e detalhes do fenômeno contraintuitivo, agora chamado efeito Mpemba.

Agora, nova pesquisa publicada em 5 de agosto na revista Nature não só mostra que o efeito Mpemba existe, mas também lança luz sobre como ele ocorre, reporta Emily Conover para Science News.

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Ampararar do que experimentar água gelada, o que é surpreendentemente complicado de estudar, os físicos Avinash Kumar e John Bechhofer da Universidade Simon Fraser focaram suas visões – e laser – em contas de vidro microscópicas. Eles mediram como as esferas de vidro se moviam sob condições muito específicas na água e viram que, em algumas circunstâncias, as esferas que começavam muito quentes arrefeciam mais rápido do que aquelas que não o faziam.

“É uma destas configurações muito simples, e já é suficientemente rica para mostrar este efeito”. A física teórica da Universidade da Virgínia, Marija Vucelja, conta a Science News. A experiência também sugere que o efeito pode aparecer em outros materiais que não água e contas de vidro. Vucelja diz: “Eu imagino que este efeito apareça muito genericamente na natureza em outro lugar, só que não temos prestado atenção a ele”

Se o ponto de congelamento é a linha de chegada, então a temperatura inicial é como o ponto de partida. Portanto, faria sentido se uma temperatura inicial mais baixa, com menos distância até à linha de chegada, fosse sempre a primeira a alcançá-la. Com o efeito Mpemba, às vezes a água mais quente chega primeiro à linha de chegada.

Mas fica mais complicado. Por um lado, a água normalmente tem outras coisas, como minerais, misturadas. E os físicos têm discordado sobre o que é exatamente a linha de chegada: é quando a água em um recipiente atinge a temperatura de congelamento, começa a solidificar, ou se solidifica completamente? Estes detalhes tornam o fenômeno difícil de estudar diretamente, Anna Demming escreve para Physics World.

O novo experimento elimina os detalhes que tornam o efeito Mpemba tão obscuro. Em cada teste, eles deixam cair uma gota de vidro microscópica num pequeno poço de água. Lá, eles usaram um laser para exercer forças controladas sobre o grânulo, e mediram a temperatura do grânulo, por Science News. Eles repetiram o teste mais de 1.000 vezes, deixando cair os grânulos em diferentes poços e começando em temperaturas diferentes.

Acima de certas forças do laser, os grânulos mais quentes arrefeceram mais rapidamente do que os mais baixos. A pesquisa sugere que o caminho mais longo desde uma temperatura mais alta até o ponto de congelamento pode criar atalhos para que a temperatura do grânulo quente possa alcançar a linha de chegada antes do grânulo mais frio.

Bechhoefer descreve o sistema experimental como uma forma “abstrata” e “quase geométrica” de imaginar o efeito Mpemba para o Mundo da Física. Mas usando o sistema, ele e Kumar identificaram as “temperaturas iniciais” ideais para um efeito de resfriamento Mpemba.

“Ele meio que sugeriu que todas as peculiaridades da água e do gelo – todas as coisas que tornaram o efeito original tão difícil de estudar – poderiam ser de certa forma periféricas”, diz Bechhoefer ao Physics World.