En 1963, os alumnos de secundaria de Magamba, na rexión do Tanque de Tanzania, elaboraron un xeado. Para iso mesturaron e coceron o leite con azucre. Unha vez arrefriada a mestura a temperatura ambiente, introducíase no conxelador. Con todo, debido á escaseza de espazo no conxelador escolar, un alumno introduciu a mestura con présas sen cocela. A continuación outro alumno, Erasto B. Mpemba introduciu a mestura cocida pero sen deixar arrefriar para non quedar sen sitio. Unha hora e media despois, a de Erasto estaba conxelada, e a outra aínda non! Como é posible? Vai contra a Intuición e a Termodinámica!

A pesar de que os seus profesores e a súa contorna non lle daban importancia, Mpemba quería dar unha explicación ao sucedido. Anos máis tarde coñeceu a Denis Gordon Osborne, profesor da universidade de Dar é Salaam na escola de Secundaria de Mkwawa. Posteriormente, Mpemba e Osborne colaboraron nun artigo publicado en 1969 no que trataron de explicar suceder co xeado a través da auga. Desde entón este curioso fenómeno coñécese como efecto Mpemba.

E antes que?

Tras a observación de Erasto, resucitou o interese polos estraños efectos térmicos na comunidade científica. De feito, ao longo da historia observáronse e recolleito fenómenos como o efecto Mpemba. Ver eixo cronolóxico da seguinte figura:

Ao parecer, Aristóteles fixo a primeira referencia ao efecto Mpemba. a.C. Cara ao ano 350: escribiu no seu libro Meteorología que o precalentamiento da auga supuña unha conxelación rápida. Por tanto, dicía que para que a auga se arrefríe rapidamente era conveniente que se puxese ao sol. Por exemplo, cando pescaban en xeo na rexión de Ponto, botaban auga quente ao redor das canas para fixar rapidamente.

No século XIII, antes da revolución científica, Roger Bacon destacou a importancia dos experimentos para o axeitado desenvolvemento da Ciencia. Tamén opina que, en determinadas condicións, a auga quente pode conxelarse máis rápido que a auga fría.

A finais da Idade Media, en 1461, Giovanni Marliani tamén observou o efecto Mpemba. Despois, no século XVII, podemos atopar outros dous testemuños. Por unha banda, en 1620, Francis Bacon publicou a súa obra Novum organum scientiarium, onde falaba do seu efecto. Doutra banda, en 1637, René Descartes publicou Lles Meteores (como anexo ao famoso Discurso do Método), facendo referencia ao fenómeno curioso.

No século XVIII desenvolveuse a teoría do calórico. Aínda que foi descartado a mediados do século XIX, aínda podemos atopar nos día a día restos do calórico. Tras a aprobación das teorías actuais de transferencia de calor, as observacións do efecto Mpemba foron rexeitadas por ser contraditorias.

Curiosamente, o efecto Mpemba foi coñecido durante moito tempo fóra dos ambientes académicos. Por exemplo, no folclore canadense "sábese" que un día frío, si ponse auga quente e fría en dous recipientes de madeira, a auga quente conxélase máis rápido. O efecto Mpemba non é observable si colócanse cubertas nestes recipientes de madeira, ou si os envases son metálicos. En 1969 George S. Kell deu conta destes feitos nun artigo. Pero tamén se coñecen outros feitos na rúa: por exemplo, nas xeadas as tubaxes de auga quente explotan máis facilmente que as de auga fría. Por citar outro exemplo espectacular, a temperaturas baixo cero fórmanse copos de neve ao lanzar a auga fervendo, tal e como mostra a seguinte figura:

Definición

Pero, que é exactamente o efecto Mpemba? De feito non existe unha definición universalmente aceptada. Por exemplo, considérese dous fragmentos do mesmo líquido coa mesma masa, onde a única diferenza é a temperatura inicial do líquido. Baixo as mesmas condicións (no mesmo envase e baixo o mesmo medio cero), si o líquido quente conxélase antes que o frío, dise que se produciu o efecto Mpemba. Ás veces esíxese que só o líquido chegue até o punto de conxelación, pero tamén se considera necesario que na definición máis estrita prodúzase o proceso de conxelación, tal e como mostra a seguinte figura:

Tratando de comprender as causas

A simple explicación do efecto Mpemba mediante as leis de termodinámica é imposible. De feito, os procesos de refrixeración e conxelación da auga son especialmente complexos. É máis, o efecto Mpemba non cumpre a lei de refrixeración de Newton. De feito, a enerxía perdida por un corpo é proporcional á diferenza de temperatura do corpo e a súa contorna. Segundo isto, o efecto Mpemba sería imposible.

Nas últimas décadas, os científicos publicaron diferentes teorías para explicar o efecto Mpemba. Por exemplo, en 2012, a Real Society of Chemistry do Reino Unido organizou un concurso para resolver este estraño fenómeno. Ao parecer, o efecto Mpemba prodúcese pola combinación de varios fenómenos físicos. A continuación exponse algunhas delas:

• Evaporación. Ao evaporar un líquido prodúcense dous fenómenos importantes. Por unha banda, o líquido perde masa. Isto pode facilitar o efecto Mpemba en sistemas de pequena masa. Doutra banda, é necesario absorber enerxía do líquido para que se produza a evaporación (proceso endotérmico), o que incrementa a diminución da temperatura do líquido. Con todo, a evaporación só é importante a altas temperaturas.

• Gases disoltos. Nos líquidos fríos disólvese máis gas que nos líquidos quentes. É dicir, ao ferver o líquido redúcense os gases disoltos. Por exemplo, a cantidade de osíxeno disolto na auga a 0 ºC é de 15 mg/l e a 100 ºC 3 mg/l. Así, as propiedades do líquido varían en función da cantidade de gas disolto. Por exemplo, un líquido con menos gas pode transmitir máis enerxía, arrefriándose antes. Isto facilitaría o efecto Mpemba.

• Convección. As correntes de convección facilitan a liberación de enerxía do líquido. Canto maior sexa a convección, máis rápido arrefríase o líquido. A convección tamén é importante a altas temperaturas.

• Superenfriamiento. A auga en estado líquido a temperaturas inferiores a 0 ° C denomínase superenfriamiento. No proceso de conxelación da auga quente, por exemplo, a auga pode manterse en estado líquido uns poucos graos baixo cero. No caso da auga fría, con todo, a marxe de temperatura até a conxelación é maior. Isto dificulta a conxelación da auga fría.

Nos estudos dos últimos anos pódese destacar un traballo. En 2016 Henry C. Burridge e Paul F. Os científicos de Lind realizaron unha exhaustiva investigación sobre o efecto Mpemba. Por unha banda, tomaron e compararon as investigacións máis importantes até entón, pero concluíron que faltaba información para repetir os experimentos anteriores. Doutra banda, eles tamén realizaron experimentos con auga, pero non observaron o efecto Mpemba. En 2020, o propio Burridge, coa axuda dun alumno, afirmou que observou o fenómeno Mpemba. Con todo, o punto de partida da auga quente non foi o mesmo que a auga fría, xa que co papel de lija xeraron puntos de nucleación nas paredes do recipiente (aumento da rugosidad) para facilitar a conxelación. É dicir, as condicións iniciais de ambas as masas de auga non foron as mesmas.

Por outra banda, en 2017 outros investigadores analizaron teoricamente as condicións concretas para poder observar o efecto Mpemba nos fluídos granulares. Isto ten a súa importancia, xa que o efecto non sempre se verá. Por exemplo, si as temperaturas iniciais son 99,9 ° C e 0,01 ° C, o efecto Mpemba é difícil de producir. Neste sentido, afirmaron tamén a existencia da inversa do efecto Mpemba. É dicir, o sistema inicialmente máis frío quéntase antes que o que está inicialmente máis quente.

O efecto Mpemba segue sen explicarse por completo

En resumo, os últimos experimentos suxiren que coa auga non se produce o efecto Mpemba. Con todo, o efecto Mpemba é real e, como xa se comentou, tamén se manifesta en fenómenos externos aos laboratorios. Até 1969, os científicos non se preocuparon da orixe destes feitos nin do desenvolvemento dunha teoría formal explicativa. Con todo, nas últimas décadas leváronse a cabo numerosas investigacións, pero lamentablemente o efecto Mpemba segue sen aparecer por completo. Parece que se observou en sistemas especiais como secreciones granulares, tubos de nano resoador de carbono e hidratos de gas. Con todo, aínda que o efecto Mpemba é interesante, non é máis que unha curiosidade. En realidade, non é fundamental para a comprensión dos conceptos básicos da Termodinámica. Iso si, o efecto Mpemba lémbranos a importancia da observación, fundamental para o desenvolvemento continuo da Ciencia.