Efecto mpemba

El efecto Mpemba , o paradoja de Mpemba,  es el supuesto efecto de que el agua caliente puede congelarse más rápido que el agua fría. En este caso, el agua caliente debe superar la temperatura del agua fría durante el proceso de congelación, por lo que, en igualdad de condiciones, el enfriamiento del agua caliente debería llevar más tiempo.

Historial de descubrimientos

El hecho de que el agua caliente se enfría más rápido fue mencionado en una ocasión por Aristóteles , Francis Bacon y René Descartes . Esto se debe a la mayor tasa de evaporación y radiación de calor, pero no afectará de ninguna manera la congelación posterior. En 1963, Erasto Mpemba , estudiante de Tanganica , se interesó en saber por qué las mezclas de helado caliente se congelan más rápido que las frías. Se volvió hacia el profesor de física para que le aclarara , pero este solo se rió del alumno y dijo lo siguiente: "Esto no es física mundial, sino la física de Mpemba".

Mpemba le hizo la misma pregunta a Dennis Osborn, profesor de física, que vino a la escuela. La verificación experimental realizada confirmó la presencia del efecto, pero no dio su explicación. Las condiciones experimentales se describen a continuación: se colocaron 70 ml de agua en vasos de laboratorio de 100 ml sobre láminas de espuma en el congelador de un refrigerador doméstico; la mayoría de las veces, el efecto se observó cuando una muestra tenía una temperatura inicial de 25 ° C y la otra - 90 ° C. También encontraron que tanto la evaporación del líquido como la influencia de los gases disueltos en el agua no son factores significativos.

En 1969, se publicó un artículo conjunto de Mpemba y Osborn que describía el efecto en la revista Physics Education ] . En el mismo año, George Kell del Consejo Nacional de Investigación de Canadá publicó un artículo que describe el fenómeno en el American Journal of Physics [2] .

Análisis de la paradoja

Se han propuesto varias explicaciones para esta paradoja:

• Uso de un refrigerador doméstico con una gran histéresis de temperatura como "dispositivo" experimental. El agua caliente, a diferencia del agua fría, calienta el termostato, que enciende el compresor y el refrigerador comienza a congelarse. El proceso es inercial, por lo que una pequeña cantidad de agua incluso tiene tiempo de congelarse. El uso de un refrigerador de temperatura controlada refuta esta paradoja (sin embargo, esta versión no encaja con el hecho de que el efecto, como se mencionó anteriormente, supuestamente lo conocían Aristóteles, Francis Bacon y René Descartes, quienes claramente no usaron un refrigerador de temperatura). -refrigerador controlado; en principio, no puede ser la causa si las muestras se colocan en el congelador al mismo tiempo ).
• El agua caliente comienza a evaporarse. Pero en el aire frío, se convierte en hielo y comienza a caer, formando una costra de hielo (según Mpemba y Osborne, encontraron que la evaporación no es un factor significativo) .
• El agua caliente se evapora más rápido del recipiente, por lo que se reduce su volumen , y un volumen menor de agua con la misma temperatura se congela más rápido. En recipientes herméticos, el agua fría debería congelarse más rápido (Mpemba y Osborn descubrieron que la evaporación no era un factor significativo, según Mpemba y Osborne) .
• La presencia de revestimiento de nieve en el congelador del frigorífico . El depósito de agua caliente derrite la nieve que hay debajo, mejorando así el contacto térmico con la pared del congelador. El recipiente de agua fría no derrite la nieve que hay debajo . En ausencia de un revestimiento de nieve, el recipiente de agua caliente debería congelarse más lentamente (probablemente no sea la causa, vea las condiciones experimentales de Mpemba y Osborn arriba) .
• El agua fría comienza a congelarse desde arriba, empeorando así los procesos de radiación y convección de calor y, por ende, la pérdida de calor, mientras que el agua caliente comienza a congelarse desde abajo. Con agitación mecánica adicional del agua en los recipientes, el agua fría debería congelarse más rápido.
• La presencia de centros de cristalización en el agua enfriada - sustancias disueltas en ella. Con un pequeño número de tales centros, la transformación del agua en hielo es difícil, e incluso su superenfriamiento es posible cuando permanece en estado líquido, con una temperatura bajo cero. Con la misma composición y concentración de soluciones, el agua fría debería congelarse más rápido.
• Debido a la diferencia en la energía almacenada en los enlaces de hidrógeno. Cuanto más caliente está el agua, mayor es la distancia entre las moléculas del líquido debido al aumento de las fuerzas de repulsión. Como resultado , los enlaces de hidrógeno se estiran y, por lo tanto, almacenan más energía. Esta energía se libera cuando el agua se enfría: las moléculas se acercan entre sí. Y el retorno de la energía significa refrigeración [3] .
• El agua caliente puede contener menos gases disueltos porque se libera una gran cantidad de gas cuando se calienta. Se supone que esto cambia las propiedades del agua caliente y se enfría más rápido [4]
• A medida que avanza el calentamiento, los enlaces de hidrógeno se debilitan y las moléculas de agua en los cúmulos toman posiciones desde las cuales les es más fácil pasar a la estructura cristalina del hielo [5] . En agua fría, todo sucede de la misma manera, pero se requiere más energía para romper los enlaces de hidrógeno; por lo tanto, la congelación ocurre más lentamente [6] .

No se ha recibido una respuesta inequívoca a la pregunta de cuál de ellos proporciona una reproducción del cien por cien del efecto Mpemba.

Vistas modernas

El 24 de noviembre de 2016 se publicó un artículo en la revista Scientific Reports (parte del grupo Nature ), donde los autores afirman que no existe una definición científica clara del efecto en materiales publicados anteriormente, ellos mismos dan tal definición y mostrar que al seguir esta definición no tiene ningún efecto. Entre otras cosas, señalan la falta de rigor de la afirmación "el agua caliente no se enfría más rápido que el agua fría" (comportamiento esperado): es obvio que el agua caliente se puede enfriar más rápido que el agua fría si, por ejemplo, la energía utilizada para el enfriamiento se incrementa. El artículo muestra, en particular, que cuando se enfrían tres raciones de agua de 400 gramos, idénticas en todo salvo en la temperatura inicial (21,8, 57,3 y 84,7 °C), se vierten en vasos idénticos y se colocan en un congelador termostático a -18 °C, el agua caliente tardó más en alcanzar la temperatura cero (6397, 9504 y 10812 segundos respectivamente), como era de esperar según la primera ley de la termodinámica [7] .

Sin embargo, en 2017, dos grupos de investigación de forma independiente y simultánea encontraron evidencia teórica del efecto Mpemba, y también predijeron un nuevo efecto Mpemba “inverso”, en el que calentar un sistema enfriado lejos del equilibrio toma menos tiempo que en otro sistema que inicialmente estaba más cerca. al equilibrio. Lu y Raz [8] dan un criterio general basado en la mecánica estadística markoviana para predecir el efecto Mpemba inverso en el modelo de Ising y la dinámica de difusión. Lasanta y sus colegas [9] también predicen efectos Mpemba directos e inversos para sólidos granulares en el estado inicial lejos del equilibrio. Este último trabajo sugiere que el mecanismo común que conduce a ambos efectos Mpemba se debe a una función de distribución de la velocidad de las partículas que se desvía significativamente de la distribución de Maxwell .

Notas

1. ↑ Mpemba EB, Osborne DG Genial? // Educación Física. - Instituto de Física, 1969. - V. 4 , No. 3 . - S. 172-175 . -doi : 10.1088 / 0031-9120/4/3/312 . - .
2. ↑ Kell GS La congelación del agua fría y caliente  // American Journal of Physics. - Citación AIP, 1969. - T. 37 , No. 5 . - S. 564-565 . -doi : 10.1119/ 1.1975687 .
3. ↑ Se revela el secreto de la solidificación rápida del agua caliente
4. ↑ Un ejemplo de un fenómeno físico
5. ↑ Artículo // Revista de teoría química y computación
6. ↑ Los científicos han encontrado una nueva explicación para la "paradoja de Mpemba" . naked-science.ru (9 de enero de 2016). Consultado: 24 de enero de 2017. (indefinido)
7. ↑ Burridge Henry C., Linden Paul F. Cuestionando el efecto Mpemba: el agua caliente no se enfría más rápido que la fría  //  Scientific Reports. - 2016. - 24 noviembre ( vol. 6 , n. 1 ). - P. 37665-1-37665-11 . - ISSN 2045-2322 . -doi : 10.1038/ srep37665 . - .
8. ↑ Chang Q. Sun, Qing Jiang, Weitao Zheng, Ji Zhou, Yichun Zhou. La memoria del enlace de hidrógeno y la supersolidez de la piel del agua resuelven la paradoja de Mpemba  //  Física Química Física Química. — 2014-10-09. — vol. 16 , edición. 42 . — Pág. 22995–23002 . — ISSN 1463-9084 . -doi : 10.1039/ C4CP03669G .
9. ↑ Oren Raz, Zhiyue Lu. Termodinámica de no equilibrio del efecto Markoviano Mpemba y su inversa  //  Actas de la Academia Nacional de Ciencias. — 2017-05-16. — vol. 114 , edición. 20 _ — Pág. 5083–5088 . — ISSN 0027-8424 1091-6490, 0027-8424 . -doi : 10.1073/ pnas.1701264114 .