¿Por qué el agua caliente puede congelarse antes que el agua fría?

Un equipo de investigadores de la Universidad Carlos III de Madrid (UC3M), la Universidad de Extremadura (UEx) y la Universidad de Sevilla (US) han definido un marco teórico que podría explicar el efecto Mpemba, un fenómeno físico contraintuitivo que se manifiesta cuando el agua caliente se congela antes que el agua fría.

Los investigadores, que han publicado recientemente el hallazgo en el Physical Review Letters, han comprobado cómo se produce este fenómeno en fluidos granulares, es decir, aquellos que están compuestos por partículas que son muy pequeñas e interaccionan entre ellas perdiendo parte de su energía cinética. Gracias a esta caracterización teórica, “podemos simular en un ordenador y realizar cálculos analíticos para saber cómo y cuándo va a ocurrir el efecto Mpemba”, explica Antonio Lasanta, del Instituto Universitario sobre Modelización y Simulación en Fluidodinámica, Nanociencia y Matemática Industrial «Gregorio Millán Barbany» de la UC3M. “De hecho – añade – no solo encontramos que lo más caliente puede enfriarse más rápido, sino también el efecto inverso: que lo más frío puede calentarse antes, lo que se llamaría efecto Mpemba inverso”.

El hecho de que los líquidos precalentados se congelen más rápidamente que los que ya estaban fríos fue observado por primera vez en el siglo IV a.C. por Aristóteles. El padre del empirismo científico, Francis Bacon, o el filósofo francés René Descartes, también se interesaron por este fenómeno, que se transformó en teoría cuando en 1960 un colegial tanzano, llamado Erasto Mpemba, explicó a su profesor en una clase que la mezcla de helado más caliente se congelaba más rápido que la fría. Esta anécdota inspiró un documento técnico sobre el tema y este efecto empezó a ser analizado en las revistas educativas y de divulgación científica. Sin embargo, sus causas y efectos apenas se han estudiado hasta la actualidad.

“Se trata de un efecto que históricamente no se había tratado de manera rigurosa, sino meramente como una anomalía y curiosidad didáctica”, explica otro de los investigadores, Antonio Prados, del departamento de Física Teórica de la US. “Desde nuestra perspectiva era importante estudiarlo en un sistema con los ingredientes mínimos para poder controlar y entender bien su comportamiento”, añade. Y esto les ha permitido entender en qué supuestos es más fácil que se produzca, que es una de las principales contribuciones de este trabajo científico. “Gracias a ello, hemos identificado algunos de los ingredientes para que ese efecto suceda en algunos sistemas físicos que podemos describir bien teóricamente”, apuntan los investigadores Francisco Vega Reyes y Andrés Santos, del Instituto de Computación Científica Avanzada de la UEx.

“El supuesto en el que es más fácil que aparezca el efecto es aquel en el que las velocidades de las partículas antes del calentamiento o del enfriamiento tengan una disposición determinada; por ejemplo, con una gran dispersión alrededor del valor medio”, afirman los autores del estudio. De este modo, la evolución de la temperatura del fluido podría verse significativamente afectada si se prepara el estado de las partículas antes del enfriamiento.

Esta investigación de “ciencia básica”, además de contribuir a mejorar el conocimiento fundamental, podría tener otras aplicaciones a medio o largo plazo. De hecho, este grupo de investigadores está planificando la realización de un experimento que verifique la teoría. Aprender a emular y utilizar este efecto podría tener aplicaciones en nuestra vida diaria, según los científicos. Por ejemplo, se podría utilizar para el desarrollo de dispositivos electrónicos en los que quisiéramos conseguir un enfriamiento más rápido.

Referencia bibliográfica:

Antonio Lasanta, Francisco Vega Reyes, Antonio Prados, Andrés Santos. When the Hotter Cools More Quickly: Mpemba Effect in Granular Fluids. Physical Review Letters,119, 148001 (2017). https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.119.148001