Timp de secole, oamenii de știință, de la Aristotel la Descartes, au bănuit că, contrar oricărei înțelepciuni convenționale, apa fierbinte poate îngheța cumva mai repede decât apa rece. Dar nu a existat un consens științific că această presupunere ar fi de fapt adevărată.

În 1963, un student la fizică din Tanzania pe nume Erasto B. Mpemba a reaprins ideea printr-un experiment accidental care a avut loc când făcea înghețată la școala sa. Părea să demonstreze ceea ce bănuiseră Aristotel și Descartes: apa fierbinte ajunge la punctul de îngheț mai repede decât apa rece. 

El a scris despre observațiile sale într-o lucrare din 1969 , intitulată pur și simplu „Cool?” care a dat naştere termenului de „efectul Mpemba”. 

Dar Erasto Mpemba a avut dreptate? Apa caldă îngheață într-adevăr mai repede decât apa rece?

Ce este efectul Mpemba?

Efectul Mpemba este un concept de fizică care postulează că atunci când apa caldă și apa rece sunt plasate într-un mediu de îngheț identic, apa fierbinte va îngheța mai repede decât apa rece.

Erasto Mpemba a remarcat că, atunci când clasa sa făcea înghețată, el a pus un amestec fierbinte de zahăr și lapte (care este în mare parte apă) într-un congelator și a înghețat înaintea altor amestecuri care au fost răcite la temperatura camerei înainte de congelare.

Extrapolarea lui Mpemba din această observație a fost că atunci când volume identice de apă – unul la 100 grade Celsius și celălalt la 35 grade Celsius – au fost plasate în pahare identice și puse într-un congelator, cel fierbinte s-a transformat mai repede în gheață.

Înțelegerea procesului de congelare

Când apa îngheață suferă o schimbare de fază, se transformă dintr-un lichid într-un solid. Fizicienii declară în mod tradițional faza unei substanțe atunci când aceasta este în echilibru. Aceasta înseamnă că substanța este într-o stare stabilă și cantități semnificative de energie nu curg dintr-o regiune în alta. De asemenea, înseamnă că volumul și temperatura acesteia rămân constante. Când o substanță nu este în echilibru, nivelurile sale de energie fluctuează, la fel și starea materiei.

Apa fierbinte îngheață mai repede

Pentru ca apa să înghețe și să rămână înghețată, particulele individuale de apă trebuie să ajungă la echilibru. Dacă prea multă energie trece prin apa neechilibrată, aceasta va fluctua între solid și lichid (la temperaturi scăzute) sau lichid și gaz (la temperaturi mai ridicate). Cu cât particulele de apă ating mai devreme echilibrul la niveluri scăzute de energie, cu atât mai repede pot îngheța.

Cum poate îngheța apa fierbinte mai repede decât apa rece?

Fizicienii încă dezbat dacă apa caldă îngheață în mod constant mai repede decât apa rece. Când se întâmplă, trebuie îndeplinite anumite condiții.

Când un vas cu apă este scufundat într-un mediu înghețat, diferite părți ale apei ajung la echilibru în momente diferite. Apa de la marginea vasului se răcește mai repede, ceea ce înseamnă că poate îngheța în timp ce apa din mijlocul vasului rămâne lichidă. Și când plasați în mod special un vas cu apă fierbinte într-un congelator (cum ar fi apa clocotită la 100 de grade Celsius descrisă de Mpemba), acesta eliberează abur în partea de sus a vasului, iar acest lucru scade volumul total de apă care trebuie să înghețe.

În plus, apa rece (sau chiar apa la temperatura camerei) dezvoltă adesea un strat de gheață pe suprafața sa, ca parte a procesului de înghețare. În mod ironic, această pojghiță izolează temporar apa (un fel ca un iglu de gheață care își izolează locuitorii împotriva aerului rece), ceea ce poate încetini procesul general de înghețare. Apa fierbinte, cel puțin în stadiile incipiente, blochează formarea înghețului, care permite aerului rece să pătrundă mai adânc în vas.

Acestea sunt câteva dintre modalitățile prin care apa fierbinte poate îngheța mai repede decât apa rece. Pentru ca apa să înghețe și să rămână înghețată, trebuie să atingă o stare de echilibru.

Studiul care poate dovedi efectul Mpemba

Dovada că efectul Mpemba este real și consistent provine dintr-un studiu din 2020 al lui John Bechhoefer și Avinash Kumar. Publicat în revista Nature , studiul a supus mărgele microscopice de sticlă la ceea ce ei au numit un „peisaj energetic” controlat de lasere. Cercetătorii au încălzit mărgele la diferite temperaturi. Apoi au observat care dintre ele a atins prima o stare de echilibru în acel peisaj energetic.

Bechhoefer și Kumar au observat că mărgele microscopice aflare la temperaturi ridicate au ajuns la echilibru mai repede decât cele aflate la temperaturi mai scăzute.

Apa fierbinte îngheață mai repede
Acest grafic al ratelor de îngheț pentru două probe de apă demonstrează efectul Mpemba.

Efectul Mpemba nu este acceptat uniform ca fenomen științific dovedit. Cu toate acestea, secole de observații, plus lucrările recente ale lui Bechhoefer, Kumar, Lu și Raz au convins mulți fizicieni că, în circumstanțe potrivite, apa fierbinte poate ajunge într-adevăr la un punct de îngheț mai repede decât apa rece.

Unii oameni de știință, precum Harry Burridge și Paul Linden, rămân sceptici. Ei recunosc că, în timp ce unele vase de apă caldă pot îngheța mai repede decât vasele cu apă rece de dimensiuni egale, chiar și cea mai mică schimbare a condițiilor șterge efectul. Studiul lui Burridge și Linden din 2016, „ Întrebarea efectului Mpemba: apa caldă nu se răcește mai repede decât rece ”, a constatat că orice dovadă a efectului Mpemba depindea de dimensiunea unui vas de apă și de plasarea unui termometru. 

Într-un studiu separat, cercetătorul James Brownridge a descoperit că impuritățile dintr-un vas cu apă (cum ar fi cele din amestecul de înghețată a lui Mpemba) vor modifica punctul de îngheț al lichidului.. Deși recunosc că există momente în care apa caldă îngheață mai repede decât apa rece, acești oameni de știință susțin că fenomenul nu se aplică uniform în natură.

Cu toate acestea, alți fizicieni, cum ar fi Raúl Rica Alarcón de la Universitatea din Granada din Spania, cred că Bechhoefer și Kumar au realizat o descoperire. Alarcón și alții consideră că este suficient pentru a identifica condițiile exacte care provoacă efectul Mpemba. Ei susțin că, prin descrierea condițiilor în care apa caldă îngheață mai repede decât apa rece, comunitatea științifică a demonstrat că efectul Mpemba este un fenomen natural legitim.

La fel ca apa dulce, apa oceanului poate îngheța dar o face la o temperatură mai scăzută. Apa de mare îngheață la aproximativ minus 2 grade Celsius din cauza conținutului de sare, în timp ce apa dulce îngheață la 0 grade Celsius.