En 1963, els alumnes de secundària de Magamba, a la regió del Tanc de Tanzània, van elaborar un gelat. Per a això van barrejar i van coure la llet amb sucre. Una vegada refredada la mescla a temperatura ambient, s'introduïa en el congelador. No obstant això, a causa de l'escassetat d'espai en el congelador escolar, un alumne va introduir la mescla amb presses sense coure-la. A continuació un altre alumne, Erasto B. Mpemba va introduir la mescla cuita però sense deixar refredar per a no quedar-se sense lloc. Una hora i mitja després, la d'Erasto estava congelada, i l'altra encara no! Com és possible? Va contra la Intuïció i la Termodinàmica!

A pesar que els seus professors i el seu entorn no li donaven importància, Mpemba volia donar una explicació al succeït. Anys més tard va conèixer a Denis Gordon Osborne, professor de la universitat de Donar és Salaam a l'escola de Secundària de Mkwawa. Posteriorment, Mpemba i Osborne van col·laborar en un article publicat en 1969 en el qual van tractar d'explicar el succeït amb el gelat a través de l'aigua. Des de llavors aquest curiós fenomen es coneix com a efecte Mpemba.

I abans què?

Després de l'observació d'Erasto, va ressuscitar l'interès pels estranys efectes tèrmics en la comunitat científica. De fet, al llarg de la història s'han observat i recollit fenòmens com l'efecte Mpemba. Veure eix cronològic de la següent figura:

Pel que sembla, Aristòtil va fer la primera referència a aquest efecte Mpemba. a. C. Cap a l'any 350: va escriure en el seu llibre Meteorologia que el precalfament de l'aigua suposava una congelació ràpida. Per tant, deia que perquè l'aigua es refredi ràpidament era convenient que es posés al sol. Per exemple, quan pescaven en gel a la regió de Ponto, tiraven aigua calenta al voltant de les canyes per a fixar ràpidament.

En el segle XIII, abans de la revolució científica, Roger Bacon va destacar la importància dels experiments per a l'adequat desenvolupament de la Ciència. També opina que, en determinades condicions, l'aigua calenta pot congelar-se més ràpid que l'aigua freda.

A la fi de l'Edat mitjana, en 1461, Giovanni Marliani també va observar l'efecte Mpemba. Després, en el segle XVII, podem trobar altres dos testimoniatges. D'una banda, en 1620, Francis Bacon va publicar la seva obra Novum organum scientiarium, on parlava del seu efecte. D'altra banda, en 1637, René Descartes va publicar Els Meteores (com a annex al famós Discurs del Mètode), fent referència al fenomen curiós.

En el segle XVIII es va desenvolupar la teoria del calòric. Encara que va ser descartat a mitjan segle XIX, encara podem trobar en el dia a dia restes del calòric. Després de l'aprovació de les teories actuals de transferència de calor, les observacions de l'efecte Mpemba van ser rebutjades per ser contradictòries.

Curiosament, l'efecte Mpemba ha estat conegut durant molt de temps fora dels ambients acadèmics. Per exemple, en el folklore canadenc "se sap" que un dia fred, si es posa aigua calenta i freda en dos recipients de fusta, l'aigua calenta es congela més ràpid. L'efecte Mpemba no és observable si es col·loquen cobertes en aquests recipients de fusta, o si els envasos són metàl·lics. En 1969 George S. Kell va donar compte d'aquests fets en un article. Però també es coneixen altres fets al carrer: per exemple, en les gelades les canonades d'aigua calenta exploten més fàcilment que les d'aigua freda. Per citar un altre exemple espectacular, a temperatures sota zero es formen flocs de neu en llançar l'aigua bullent, tal com mostra la següent figura:

Definició

Però, què és exactament l'efecte Mpemba? De fet no existeix una definició universalment acceptada. Per exemple, consideri's dos fragments del mateix líquid amb la mateixa massa, on l'única diferència és la temperatura inicial del líquid. Sota les mateixes condicions (en el mateix envàs i sota el mateix mitjà zero), si el líquid calent es congela abans que el fred, es diu que s'ha produït l'efecte Mpemba. A vegades s'exigeix que només el líquid arribi fins al punt de congelació, però també es considera necessari que en la definició més estricta es produeixi el procés de congelació, tal com mostra la següent figura:

Tractant de comprendre les causes

La simple explicació de l'efecte Mpemba mitjançant les lleis de termodinàmica és impossible. De fet, els processos de refrigeració i congelació de l'aigua són especialment complexos. És més, l'efecte Mpemba no compleix la llei de refrigeració de Newton. De fet, l'energia perduda per un cos és proporcional a la diferència de temperatura del cos i el seu entorn. Segons això, l'efecte Mpemba seria impossible.

En les últimes dècades, els científics han publicat diferents teories per a explicar l'efecte Mpemba. Per exemple, en 2012, la Real Society of Chemistry del Regne Unit va organitzar un concurs per a resoldre aquest estrany fenomen. Pel que sembla, l'efecte Mpemba es produeix per la combinació de diversos fenòmens físics. A continuació s'exposen algunes d'elles:

• Evaporació. En evaporar un líquid es produeixen dos fenòmens importants. D'una banda, el líquid perd massa. Això pot facilitar l'efecte Mpemba en sistemes de petita massa. D'altra banda, és necessari absorbir energia del líquid perquè es produeixi l'evaporació (procés endotèrmic), la qual cosa incrementa la disminució de la temperatura del líquid. No obstant això, l'evaporació només és important a altes temperatures.

• Gasos dissolts. En els líquids freds es dissol més gas que en els líquids calents. És a dir, en bullir el líquid es redueixen els gasos dissolts. Per exemple, la quantitat d'oxigen dissolt en l'aigua a 0 °C és de 15 mg/l i a 100 °C 3 mg/l. Així, les propietats del líquid varien en funció de la quantitat de gas dissolt. Per exemple, un líquid amb menys gas pot transmetre més energia, refredant-se abans. Això facilitaria l'efecte Mpemba.

• Convecció. Els corrents de convecció faciliten l'alliberament d'energia del líquid. Com més gran sigui la convecció, més ràpid es refreda el líquid. La convecció també és important a altes temperatures.

• Superenfriamiento. L'aigua en estat líquid a temperatures inferiors a 0 ° C es denomina superenfriamiento. En el procés de congelació de l'aigua calenta, per exemple, l'aigua pot mantenir-se en estat líquid uns pocs graus sota zero. En el cas de l'aigua freda, no obstant això, el marge de temperatura fins a la congelació és major. Això dificulta la congelació de l'aigua freda.

En els estudis dels últims anys es pot destacar un treball. En 2016 Henry C. Burridge i Paul F. Els científics de Lind van realitzar una exhaustiva recerca sobre l'efecte Mpemba. D'una banda, van prendre i van comparar les recerques més importants fins llavors, però van concloure que faltava informació per a repetir els experiments anteriors. D'altra banda, ells també van realitzar experiments amb aigua, però no van observar l'efecte Mpemba. En 2020, el propi Burridge, amb l'ajuda d'un alumne, va afirmar que va observar el fenomen Mpemba. No obstant això, el punt de partida de l'aigua calenta no va ser el mateix que l'aigua freda, ja que amb el paper d'escata van generar punts de nucleació en les parets del recipient (augment de la rugositat) per a facilitar la congelació. És a dir, les condicions inicials de totes dues masses d'aigua no van ser les mateixes.

D'altra banda, en 2017 altres investigadors van analitzar teòricament les condicions concretes per a poder observar l'efecte Mpemba en els fluids granulars. Això té la seva importància, ja que l'efecte no sempre es veurà. Per exemple, si les temperatures inicials són 99,9 ° C i 0,01 ° C, l'efecte Mpemba és difícil de produir. En aquest sentit, van afirmar també l'existència de la inversa de l'efecte Mpemba. És a dir, el sistema inicialment més fred s'escalfa abans que el que està inicialment més calent.

L'efecte Mpemba segueix sense explicar-se per complet

En resum, els últims experiments suggereixen que amb l'aigua no es produeix l'efecte Mpemba. No obstant això, l'efecte Mpemba és real i, com ja s'ha comentat, també es manifesta en fenòmens externs als laboratoris. Fins a 1969, els científics no es van preocupar de l'origen d'aquests fets ni del desenvolupament d'una teoria formal explicativa. No obstant això, en les últimes dècades s'han dut a terme nombroses recerques, però lamentablement l'efecte Mpemba segueix sense aparèixer per complet. Sembla que s'ha observat en sistemes especials com a secrecions granulars, tubs de nano ressonadors de carboni i hidrats de gas. No obstant això, encara que l'efecte Mpemba és interessant, no és més que una curiositat. En realitat, no és fonamental per a la comprensió dels conceptes bàsics de la Termodinàmica. Això sí, l'efecte Mpemba ens recorda la importància de l'observació, fonamental per al desenvolupament continu de la Ciència.