1. Efecto Mpemba
La gente suele pensar que cuando se colocan en el frigorífico una taza de agua fría y una taza de agua caliente al mismo tiempo, el agua fría se congela rápidamente. Este no es el caso. Un día de 1963, en una escuela secundaria de Tanzania, situada en África tropical, un grupo de estudiantes quería elaborar unos alimentos congelados para refrescarse. Un estudiante llamado Erasto Mpeba añadió azúcar a la leche caliente y la metió en el frigorífico para hacer helado. Pensó que si esperaba a que la leche caliente se enfriara y la ponía en el refrigerador, otros estudiantes llenarían el refrigerador, así que puso la leche caliente en el refrigerador. Poco después, abrió el refrigerador y echó un vistazo. Sorprendentemente, su taza de helado se había convertido en una taza de delicioso helado, mientras que el helado hecho por otros estudiantes con agua fría aún no se había congelado. Su descubrimiento no llamó la atención de sus profesores y compañeros, al contrario, les hizo reír. Mpeba le contó al Dr. Osborne, profesor de física de la Universidad de Dar es Salaam, sobre este fenómeno especial. Osborne se sorprendió un poco después de escuchar el relato de Mpeba, pero creía que lo que dijo Mpeba debía ser verdad. Osborne, que respetaba la ciencia, realizó otro experimento y los resultados coincidieron completamente con la descripción de Mpeba. Esto confirma definitivamente que en ambientes de baja temperatura, el agua caliente se congela más rápido que el agua fría. Desde entonces, muchas revistas científicas de todo el mundo han presentado este fenómeno natural y lo denominaron "efecto Mpeba".
2. se congela más rápido que el agua fría se conoce desde hace muchos siglos. La primera mención de este fenómeno se remonta a Aristóteles en el año 300 a.C., quien escribió:
"El agua previamente calentada ayuda a que se congele más rápido. Entonces, cuando la gente quería enfriar agua caliente, primero la ponía al sol..."
Pero antes del siglo XX, este fenómeno sólo se consideraba folclore. No fue hasta 1969 que Mpemba propuso Desde entonces, nuevamente en la comunidad científica muchos experimentos han confirmado la existencia del efecto Mpemba, pero no existe una explicación única. Hacia 1461, el físico Giovanni Marliani participó en un debate sobre cómo se enfrían los objetos. El agua se congeló más rápido que el agua fría. Dijo que usó cuatro onzas de agua hirviendo y cuatro onzas de agua sin calentar, colocadas en dos recipientes pequeños afuera de una casa en un invierno frío, y descubrió que el agua hirviendo se congela primero. este fenómeno. A principios del siglo XVII, este fenómeno parecía haberse convertido en un conocimiento común. "No mucho después, dijo Descartes, "la experiencia demuestra que el agua que se ha dejado al fuego durante algún tiempo se congela más rápidamente que otras aguas. "
Hasta 1969, 500 años después del experimento de Marliani, se publicó en la revista "New Scientist" la historia de un estudiante de secundaria en Tanzania llamado Mpemba que descubrió nuevamente este fenómeno. Esta historia la cuentan científicos y profesores. para no ignorar las observaciones de los no científicos y no juzgar prematuramente.
En 1963, Mpemba estaba haciendo helado en la escuela. Originalmente debería haber mezclado leche hirviendo y azúcar. enfriar antes de ponerla en el refrigerador, sin embargo, debido a la falta de espacio en el refrigerador, la metió sin esperar a que la leche se enfriara. Para su sorpresa, descubrió que su leche caliente se solidificó antes que la de sus compañeros. Le preguntó a su profesor de física por qué, pero el profesor le dijo que debía haberse confundido con el helado de otros estudiantes, porque su observación era imposible.
Pero eso fue lo que le dijo su profesor más tarde un año. Conoció a un amigo suyo que hacía y vendía helados en la ciudad de Tanga. Le dijo a Mpemba que cuando hacía helados, ponía el líquido caliente en el refrigerador para que se congelaran más rápido, según otros vendedores de helados en la ciudad de Tanga. tuvo la misma experiencia práctica.
Más tarde, Mpemba aprendió la ley de enfriamiento de Newton, que describe cómo los objetos calientes se vuelven fríos (bajo ciertas suposiciones simplificadas).
Mpemba le preguntó a su maestro por qué la leche caliente se congelaba antes que la fría. El profesor también respondió que Mpemba debía estar confundido. Mientras Mpemba seguía argumentando, el profesor dijo: "Todo lo que puedo decir es que ésta es la física de Mpemba, no la física en general". A partir de entonces, el profesor y otros estudiantes utilizaron "Esa es la física de Mpemba" o "Eso es Matemáticas". La Física de Mpemba" para criticar sus errores. Pero más tarde, cuando Mpemba intentó experimentar con agua fría y caliente en el laboratorio de biología de la escuela, descubrió de nuevo: el agua caliente se congelaba primero.
Antes, un profesor de física, el Dr. Osborne, visitó la escuela secundaria de Mpemba. Mpemba le hizo esta pregunta. El Dr. Osborne dijo que no se le ocurría ninguna explicación, pero que intentaría realizar el experimento más tarde. Cuando regresó a su laboratorio, le pidió a un joven técnico que probara el experimento de Mpemba. Más tarde, el técnico informó que el agua caliente se congeló primero y agregó: "Pero continuaremos repitiendo este experimento hasta obtener el resultado correcto. Sin embargo, el informe del experimento arrojó el mismo resultado". En 1969, Mpemba y Osborne informaron de sus resultados.
Ese mismo año, en una de las coincidencias más comunes en la ciencia, el Dr. Kell escribió de forma independiente un artículo sobre la congelación del agua caliente antes que la del agua fría. Kell demostró que si se suponía que el agua se enfriaba inicialmente por evaporación y se mantenía a una temperatura uniforme, entonces el agua caliente perdería suficiente masa para congelarse primero. Kell demostró así que el fenómeno era real (en aquel momento era un rumor en las ciudades canadienses) y podía explicarse por la evaporación. Sin embargo, desconocía los experimentos de Osborne. Osborne midió la masa perdida y descubrió que la evaporación no era suficiente para explicar el fenómeno. Experimentos posteriores que utilizaron recipientes sellados, que eliminaron los efectos de la evaporación, descubrieron que el agua caliente se congelaba primero.
3. Varias explicaciones sobre el efecto Mpemba
¿Qué es el efecto Mpemba? Hay dos tazas de la misma forma que contienen el mismo volumen de agua. La única diferencia es la temperatura del agua. Ahora enfríe dos vasos de agua en el mismo ambiente. En determinadas condiciones, el agua con una temperatura inicial más alta se congelará primero, pero no es así en todos los casos. Por ejemplo, agua caliente a 99,9 ℃ y agua fría a 0,01 ℃, el agua fría se congelará primero. El efecto Mpemba no es visible bajo ninguna temperatura inicial, forma del recipiente ni condiciones de enfriamiento.
La mayoría de la gente pensará que esto parece imposible, y algunos intentarán demostrar que es imposible. Esta prueba suele ser así: el agua a 30°C tarda 10 minutos en enfriarse para congelarse, y el agua a 70°C primero debe tardar un poco en enfriarse a 30°C, y luego pasar otros 10 minutos enfriándose. hasta que se congele. Porque lo que tiene que hacer el agua fría, también lo debe hacer el agua caliente, por lo que el agua caliente se congela lentamente. ¿Esta prueba es incorrecta?
Esta prueba es errónea porque supone implícitamente que la congelación del agua sólo se ve afectada por la temperatura media. Pero, de hecho, además de la temperatura media, también son importantes otros factores. Un vaso de agua con una temperatura uniforme inicial de 70°C se enfría a una temperatura promedio de 30°C. El agua ha cambiado y es diferente de la taza de agua con una temperatura uniforme inicial de 30°C. El primero tiene menos masa, gases disueltos y convección, lo que provoca una distribución desigual de la temperatura. Estos factores cambiarán el ambiente dentro del refrigerador y alrededor del contenedor. Estos cuatro factores se considerarán por separado a continuación.
1. Evaporación: en el proceso de enfriamiento del agua caliente a la temperatura inicial del agua fría, el agua caliente perderá parte del agua debido a la evaporación. Menos masa hace que el agua sea más fácil de enfriar y congelar. De esta forma, el agua caliente podrá congelarse antes que el agua fría, pero con menos hielo. Si asumimos que el agua sólo pierde calor por evaporación, los cálculos teóricos pueden mostrar que la evaporación puede explicar el efecto Mpemba. Esta explicación es creíble e intuitiva y la evaporación es de hecho un factor muy importante. Sin embargo, este no es el único mecanismo. La evaporación no puede explicar los experimentos realizados en un recipiente cerrado, donde no puede escapar el vapor de agua. Muchos científicos afirman que la evaporación por sí sola no es suficiente para explicar sus experimentos.
2. Gas disuelto: el agua caliente puede retener menos gas disuelto que el agua fría. Al hervir, se escapará una gran cantidad de gas.
Los gases disueltos cambian las propiedades del agua. Facilite la formación de convección (y por lo tanto más fácil de enfriar), reduzca la cantidad de calor necesaria para congelar una unidad de masa de agua o cambie el punto de ebullición. Existe cierto apoyo experimental para esta explicación, pero no hay cálculos teóricos.
3. Convección: debido al enfriamiento, el agua formará convección y una distribución desigual de la temperatura. A medida que aumenta la temperatura, la densidad del agua disminuye, por lo que la superficie del agua está más caliente que el fondo del agua, lo que se denomina "parte superior caliente". Si el agua pierde calor principalmente a través de la superficie, entonces el agua en una "parte superior caliente" perderá calor más rápido que a una temperatura uniforme. Cuando el agua caliente se enfría a la temperatura inicial del agua fría, tendrá una superficie caliente, por lo que se enfriará más rápido que el agua con la misma temperatura promedio pero una temperatura uniforme. Aunque en los experimentos se pueden observar cimas calientes y la convección relacionada, aún se desconoce si la convección puede explicar el efecto Mpemba.
4. Cosas circundantes: la última diferencia entre dos vasos de agua no tiene nada que ver con ellos mismos, sino con el entorno que los rodea. El agua con una temperatura inicial más alta puede cambiar el entorno que la rodea de maneras complejas, afectando el proceso de enfriamiento. Por ejemplo, si el vaso de agua se coloca encima de una capa de escarcha, la escarcha conduce mal el calor. El agua caliente puede derretir esta capa de escarcha, creando un mejor sistema de enfriamiento. Obviamente, esta explicación no es lo suficientemente general y muchos experimentos no colocan el recipiente sobre la capa de escarcha.
Finalmente, el sobreenfriamiento puede ser importante en este efecto. El sobreenfriamiento es el fenómeno por el cual el agua no se congela hasta que está por debajo de 0°C. Un experimento descubrió que es menos probable que el agua caliente se sobreenfríe que el agua fría. Esto significa que el agua caliente se congelará primero porque se congela a una temperatura más alta. Pero esto no explica completamente el efecto Mpemba, porque todavía necesitamos explicar por qué una menor cantidad de agua caliente causa sobreenfriamiento.
En muchos casos, el agua caliente se congela antes que el agua fría, pero este fenómeno no se observa en todos los experimentos. Y, si bien hay muchas explicaciones, todavía no existe una explicación perfecta. Entonces, el efecto Mpeba sigue siendo un misterio