Misterio resuelto: ¿por qué el agua caliente se congela más rápido que la fría?

Se ha modelado con éxito el desconcertante efecto Mpemba

Es un misterio que ha desconcertado a los pensadores desde Aristóteles: en las circunstancias adecuadas, el agua caliente puede congelarse más rápidamente que la fría. Ahora, por primera vez, un equipo de físicos españoles ha descubierto cómo y por qué puede ocurrir esta aparente paradoja, conocida como el efecto Mpemba.

La respuesta, como se describe en un artículo en Physical Review Letters por Antonio Lasanta de la Universidad Carlos III de Madrid y sus colegas, es que el estado del agua al comienzo del experimento debe ser cuidadosamente calibrado. No solo es importante la temperatura del líquido, sino también la propagación de las velocidades de las moléculas individuales dentro de él.

Aunque el fenómeno había sido observado por varios científicos y filósofos naturales a lo largo de los siglos, incluidos René Descartes y Francis Bacon, recibió poco estudio moderno hasta la década de 1960. Las cosas cambiaron cuando un adolescente tanzano llamado Erasto Mpemba notó que una mezcla de helado calentada se congelaba más rápidamente que una fría. Mpemba le preguntó al respecto a un físico que estaba visitando su escuela secundaria, y juntos confirmaron en el laboratorio la existencia del efecto.

Desde entonces, se han propuesto varias explicaciones: que la evaporación del agua caliente transporta el calor de manera más efectiva, o la convección dentro del agua, o incluso el superenfriamiento, en el cual la temperatura del agua cae mucho antes de que se convierta en hielo.

Ninguna de las explicaciones ha sido del todo convincente. De hecho, uno de los más recientes estudios experimentales serios concluyó "con algo de tristeza" que no podría encontrar evidencia de que el efecto siquiera exista.

Los investigadores españoles analizaron el problema desde los primeros principios, analizando el comportamiento de un llamado "fluido granular" formado por pequeñas esferas. Este enfoque es matemáticamente más simple que el modelado de moléculas de agua en detalle, pero produce resultados que pueden ser aplicables al agua.

Como resultado, "podemos simular en una computadora y hacer cálculos analíticos para saber cómo y cuándo se producirá el efecto Mpemba", dice Lasanta.

Las cosas importantes, resultan, son la diferencia en las temperaturas entre las dos muestras de agua y la diferencia en una propiedad estadística llamada curtosis, que depende de cuántas partículas se muevan en el fluido cerca de la velocidad promedio. Más precisamente, es la relación entre la diferencia de temperatura y la diferencia de curtosis. La curtosis no se había tenido en cuenta en estudios anteriores, lo que puede explicar las dificultades para replicar el efecto.

Cuando esta relación cae dentro de un rango pequeño de valores, la simulación denota que la muestra de agua más caliente se enfriará más rápido que la más fría.

"De hecho", dice Lasanta, "no solo encontramos que los más calientes pueden enfriarse más rápido sino también el efecto contrario: los más fríos pueden calentarse más rápido, lo que se llamaría el efecto inverso de Mpemba".

¿El paso siguiente? Intentar verificar las simulaciones, primero en el laboratorio y luego en el mundo real. Si todo sale bien, el descubrimiento puede tener aplicaciones en refrigeración y enfriamiento.

Artículo científico: When the Hotter Cools More Quickly: Mpemba Effect in Granular Fluids