Por qué el agua caliente puede llegar a congelarse antes que la fría: esta es la explicación del efecto Mpemba

Antes de explicaros el siguiente fenómeno, viene bien aclarar una cosa: las leyes de la termodinámica se cumplen y el agua fría normalmente se congela más rápido que el agua caliente. Sin embargo y aunque parezca contraintuitivo, se viene observando desde hace siglos que no siempre se cumple este hecho y bajo ciertas circunstancias, el agua caliente se congela antes que la fría.

Aristóteles fue el primero en registrar este fenómeno, pero no fue publicado como observación científica hasta el año 1969 por Erasto Mpemba. Precisamente debido al apellido del científico nacido en la Tanganica británica se conoce a este fenómeno como el efecto Mpemba. Un curioso efecto que recientemente está teniendo repercusión debido a un nuevo viral denominado "boiling water challenge" y consiste en lanzar al aire agua hirviendo para ver como se congela rápidamente y se transforma en nieve.

Qué ocurre con el agua y cómo es posible

La historia del efecto Mpemba es particularmente curiosa. A principios de los 60, el joven científico comentó en clase que el helado se congelaría más rápido si antes de meterlo en el congelador se calentaba. Toda la clase se rió, pero después el profesor Dr. Denis G. Osborne probó el experimento por si mismo y supuestamente funcionó.

Entre los dos acabaron dejando patente que el tiempo que tardaba en congelarse el agua era más corto si partíamos de 90 grados centígrados que no desde 25ºC. El propia Mpemba reconocía en el paper publicado que "puede parecer ilógico, pero estoy seguro que es un hecho que ocurre".

Nuestros conocimientos básicos de física nos dicen que si el agua está más fría, necesita menos energía para alcanzar el estado de congelación y por tanto el tiempo debería ser menor. Esto sigue siendo así y es lo habitual. Sin embargo, el efecto Mpemba donde pasa justo lo contrario se habría observado en diversas situaciones, rompiendo con lo establecido y forzando a los científicos a encontrar una explicación de por qué ocurre.

¿Cuáles son las posibles explicaciones que se han ido dando a lo largo del tiempo? Repasemos algunas de ellas.

• Evaporación más rápida en el agua caliente, lo que reduce el volumen que queda por congelar.
• Formación de una capa de escarcha sobre agua fría, aislándola.
• Diferentes concentraciones de solutos como el dióxido de carbono, que se elimina cuando el agua se calienta.
• Aumento de la convección en agua caliente.
• Posibles cantidades diferentes de gases disueltos en agua fría en comparación con el agua caliente.
• Efecto de la formación de escarcha: el agua caliente tiende a congelarse desde el fondo mientras que el agua fría tiende a congelarse desde la parte superior.
• Conductividad térmica, lo que hace que el contenedor de agua caliente se derrita a través del hielo aislante en el congelador, exponiendo potencialmente el contenedor a una capa más fría debajo del hielo.

El fenómeno es tan difícil de explicar y replicar que incluso en 2016, Henry C. Burridge y Paul F. Linden publicaron un artículo en Nature cuestionando su existencia. Una investigación que entra en contradicción con otras investigaciones posteriores, como la publicada por Ilias Tyrovolas en 2017 en la revista Journal of Modern Physics.

Más cerca de la explicación científica del efecto Mpemba

En 2010, James D. Brownridge, publicó un paper en Arxiv donde explicaba que había realizado diversos experimentos para comprobar la existencia del efecto Mpemba, concluyendo que su existencia es real y que bajo condiciones concretas había encontrado que de los 28 intentos, en las 28 ocasiones el agua caliente se congelaba antes que la fría.

¿Cuál es la explicación que se daba entonces? El agua caliente se congelará antes que el agua más fría solo cuando el refrigerador superenfría el agua y luego, solo si la temperatura de nucleación del agua fría es varios niveles más baja que la del agua caliente. La clave está en reproducir las condiciones idénticas entre un agua y otra y eso no es tan fácil, ya que en los recipientes de agua caliente se puede incrementar la conductividad termal y afecta a las condiciones del experimento.

Otra explicación fue publicada en 2017 en la revista Physical Review Letters bajo el nombre 'When the Hotter Cools More Quickly: Mpemba Effect in Granular Fluids'. Se trata de una investigación de Antonio Lasanta y varios científicos de la Universidad Carlos III de Madrid, donde se investigaron los motivos del efecto Mpemba a un nivel más profundo.

Según el paper publicado por Antonio Lasanta y su equipo, el efecto Mpemba depende de la velocidad de las partículas del agua y cómo se mueven en todas direcciones.

Los investigadores nos proponen que imaginemos dos vasos de agua, uno más caliente que el otro y que los colocamos en el congelador. En caso que el efecto Mbempa se aplique, el más caliente debería alcanzar los cero grados antes que el frío. Como explica la física básica, si el agua se calienta las partículas se mueven más rápido y si se congela, se atascan en un mismo sitio. Siguiendo esta idea, los investigadores realizaron una simulación. Para descubrir posteriormente que la temperatura no es el único factor importante.

La temperatura es un reflejo de la velocidad media que tienen las partículas. Sin embargo, el número de valores atípicos jugaría un papel clave en la determinación de la velocidad de enfriamiento. Este grado de desviación del promedio o curtosis no se tenía en cuenta en anteriores estudios de la reproducibilidad del efecto Mpemba. Añadir la curtosis al modelado ayudó a explicar cuándo ocurría el efecto.

Según la simulación, si el vaso de agua caliente contiene suficientes moléculas "caprichosas" para generar una alta curtosis, hay una alta probabilidad que esta agua más caliente se enfría más rápido que la más fría. Y según explica Lasanta, "no solo encontramos que lo más caliente puede enfriarse más rápido, sino también el efecto opuesto: lo más frío puede calentar más rápido, lo que se denominaría efecto Mpemba inverso".

Cuando hablamos de un agua más caliente que la otra presumiblemente se piensa que esta temperatura es estable, pero en sistemas fuera del equilibrio la temperatura de cada punto puede ser distinta. Y esto puede llevar, según Zhiyue Lu y Oren Raz de la Universidad de Chicago, a bajo ciertas condiciones, el sistema caliente puede adelantarse al frío en términos de cambio de temperatura, esencialmente tomando un "camino más corto hacia el equilibrio". O lo que es lo mismo, enfriarse antes.

Imagen de portada | Sami Takarautio