Revista Cuanta

29 de junio de 2022

Se desconoce si el agua fría o caliente se congela más rápido.

Francis Chee / SPL / Fuente científica

Escritor colaborador

29 de junio de 2022

Suena como uno de los experimentos más fáciles posibles: toma dos tazas de agua, una caliente y otra fría. Coloque ambos en un congelador y observe cuál se congela primero. El sentido común sugiere que el agua más fría lo hará. Pero luminarias como Aristóteles, René Descartes y Sir Francis Bacon han observado que el agua caliente en realidad puede enfriarse más rápidamente. Del mismo modo, los plomeros informan que las tuberías de agua caliente revientan en climas bajo cero, mientras que las frías permanecen intactas. Sin embargo, durante más de medio siglo, los físicos han estado discutiendo si realmente ocurre algo así.

El término moderno para el agua caliente que se congela más rápido que el agua fría es el efecto Mpemba, llamado así por Erasto Mpemba, un adolescente tanzano que, junto con el físico Denis Osborne, realizó los primeros estudios científicos sistemáticos en la década de 1960. Si bien pudieron observar el efecto, los experimentos de seguimiento no lograron replicar consistentemente ese resultado. Los experimentos de precisión para investigar la congelación pueden verse influenciados por muchos detalles sutiles, y los investigadores a menudo tienen problemas para determinar si han tenido en cuenta todas las variables de confusión.

En los últimos años, mientras continúa la controversia sobre si el efecto Mpemba ocurre en el agua, el fenómeno se ha detectado en otras sustancias: polímeros cristalinos, sólidos similares al hielo llamados hidratos de clatrato y minerales de manganita que se enfrían en un campo magnético. Estas nuevas direcciones están ayudando a los investigadores a echar un vistazo a la complicada dinámica de los sistemas que están fuera del equilibrio termodinámico. Un contingente de físicos que modelan sistemas fuera de equilibrio ha predicho que el efecto Mpemba debería ocurrir en una amplia variedad de materiales (junto con su inverso, en el que una sustancia fría se calienta más rápido que una caliente). Experimentos recientes parecen confirmar estas ideas.

Sin embargo, la sustancia más familiar de todas, el agua, está demostrando ser la más resbaladiza.

"Un vaso de agua atrapado en un congelador parece simple", dijo John Bechhoefer, físico de la Universidad Simon Fraser en Canadá, cuyos experimentos recientes son las observaciones más sólidas del efecto Mpemba hasta la fecha. "Pero en realidad no es tan simple una vez que empiezas a pensar en ello".

"Mi nombre es Erasto B. Mpemba, y les voy a contar mi descubrimiento, que se debió a un mal uso de un refrigerador". Así comienza un artículo de 1969 en la revista Physics Education en el que Mpemba describió un incidente en la Escuela Secundaria Magamba en Tanzania cuando él y sus compañeros de clase estaban haciendo helado.

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El difunto Erasto Mpemba inició décadas de investigación sobre si el agua caliente se congela más rápido que el agua fría.

Imágenes PA / Foto de stock de Alamy

El espacio era limitado en el refrigerador de los estudiantes, y en la prisa por agarrar la última bandeja de hielo disponible, Mpemba optó por saltarse la espera de que su brebaje de leche hervida y azúcar se enfriara a temperatura ambiente como lo habían hecho los otros estudiantes. Una hora y media más tarde, su mezcla se había congelado y se había convertido en helado, mientras que los de sus compañeros de clase más pacientes seguían siendo una pasta líquida espesa. Cuando Mpemba le preguntó a su profesor de física por qué ocurrió esto, le dijo: "Estabas confundido. Eso no puede suceder".

Más tarde, Osborne vino a visitar la clase de física de la escuela secundaria de Mpemba. Recordó que el adolescente levantó la mano y preguntó: "Si tomas dos vasos de precipitados con volúmenes iguales de agua, uno a 35 °C y el otro a 100 °C, y los pones en un refrigerador, el que comenzó a 100 °C se congela primero. ¿Por qué? Intrigado, Osborne invitó a Mpemba al Colegio Universitario de Dar es Salaam, donde trabajaron con un técnico y encontraron pruebas del efecto que lleva el nombre de Mpemba. Aún así, Osborne concluyó que las pruebas eran toscas y que se necesitarían experimentos más sofisticados para descubrir qué podría estar pasando.

Durante décadas, los científicos han ofrecido una amplia variedad de explicaciones teóricas para explicar el efecto Mpemba. El agua es una sustancia extraña, menos densa cuando es sólida que cuando es líquida, y con fases sólida y líquida que pueden coexistir a la misma temperatura. Algunos han sugerido que calentar agua podría destruir la red suelta de enlaces de hidrógeno polares débiles entre las moléculas de agua en una muestra, aumentando su desorden, lo que luego reduce la cantidad de energía necesaria para enfriar la muestra. Una explicación más mundana es que el agua caliente se evapora más rápido que la fría, disminuyendo su volumen y, por tanto, el tiempo que tarda en congelarse. El agua fría también podría contener más gases disueltos, lo que reduce su punto de congelación. O tal vez entran en juego factores externos: una capa de escarcha en un congelador puede actuar como un aislante, evitando que el calor se escape de una taza fría, mientras que una taza caliente derretirá la escarcha y se enfriará más rápido.

Todas esas explicaciones asumen que el efecto es real: que el agua caliente realmente se congela más rápido que la fría. Pero no todos están convencidos.

En 2016, el físico Henry Burridge del Imperial College London y el matemático Paul Linden de la Universidad de Cambridge realizaron un experimento que mostró cuán sensible es el efecto a los detalles de la medición. Especularon que el agua caliente podría formar algunos cristales de hielo primero, pero tardaría más en congelarse por completo. Ambos eventos son difíciles de medir, por lo que Burridge y Linden observaron cuánto tiempo tardó el agua en alcanzar los cero grados centígrados. Descubrieron que las lecturas dependían de dónde colocaran el termómetro. Si compararon las temperaturas entre tazas calientes y frías a la misma altura, el efecto Mpemba no apareció. Pero si las medidas estuvieran desviadas incluso por un centímetro, podrían producir evidencia falsa del efecto Mpemba. Examinando la literatura, Burridge y Linden encontraron que solo Mpemba y Osborne, en su estudio clásico, vieron un efecto Mpemba demasiado pronunciado para atribuirlo a este tipo de error de medición.

Los hallazgos "resaltan cuán sensibles son estos experimentos incluso cuando no se incluye el proceso de congelación", dijo Burridge.

Sin embargo, un buen número de investigadores cree que el efecto Mpemba puede ocurrir, al menos bajo ciertas condiciones. Después de todo, Aristóteles escribió en el siglo IV a. C. que "muchas personas, cuando quieren enfriar el agua rápidamente, comienzan por ponerla al sol", cuyos beneficios presumiblemente se notaron incluso antes de la invención de los termómetros sensibles. Mpemba, en edad escolar, también pudo observar la sutil diferencia entre su helado congelado y la mezcla de sus compañeros de clase. Aún así, los hallazgos de Burridge y Linden resaltan una razón clave por la cual el efecto Mpemba, real o no, podría ser tan difícil de precisar: la temperatura varía a lo largo de una taza de agua que se enfría rápidamente porque el agua está fuera de equilibrio y los físicos saben muy poco sobre Sistemas fuera de equilibrio.

En equilibrio, un fluido en una botella se puede describir mediante una ecuación con tres parámetros: su temperatura, su volumen y el número de moléculas. Mete esa botella en un congelador y todas las apuestas están canceladas. Las partículas en el borde exterior se sumergirán en un ambiente helado, mientras que las más profundas permanecerán calientes. Las etiquetas como temperatura y presión ya no están bien definidas, sino que fluctúan constantemente.

Cuando Zhiyue Lu, de la Universidad de Carolina del Norte, leyó sobre el efecto Mpemba en la escuela secundaria, se coló en una refinería de petróleo en la provincia china de Shandong, donde trabajaba su madre, y usó equipos de laboratorio de precisión para medir la temperatura en función del tiempo en una muestra. de agua (terminó sobreenfriando el agua sin que se congelara). Más tarde, mientras estudiaba termodinámica sin equilibrio como estudiante de posgrado, trató de reformular su enfoque del efecto Mpemba. "¿Existe alguna regla termodinámica que prohíba lo siguiente: algo que comience más lejos del equilibrio final que se acerque al equilibrio más rápido que algo que comience cerca?" preguntó.

Zhiyue Lu de la Universidad de Carolina del Norte (arriba) y Oren Raz del Instituto de Ciencias Weizmann en Israel han demostrado que los líquidos calientes pueden encontrar "atajos extraños" a sus puntos de congelación.

Robert Filcsik (arriba); Itai Belson / Instituto de Ciencias Weizmann

Zhiyue Lu de la Universidad de Carolina del Norte (izquierda) y Oren Raz del Instituto de Ciencias Weizmann en Israel han demostrado que los líquidos calientes pueden encontrar "atajos extraños" a sus puntos de congelación.

Robert Filcsik (izquierda); Itai Belson / Instituto de Ciencias Weizmann

Lu conoció a Oren Raz, quien ahora estudia mecánica estadística de no equilibrio en el Instituto de Ciencias Weizmann en Israel, y comenzaron a desarrollar un marco para investigar el efecto Mpemba en general, no solo en el agua. Su artículo de 2017 en Proceedings of the National Academy of Sciences modeló la dinámica aleatoria de las partículas, mostrando que, en principio, existen condiciones de desequilibrio bajo las cuales podría ocurrir el efecto Mpemba y su inverso. Los hallazgos abstractos sugirieron que los componentes de un sistema más caliente, en virtud de tener más energía, pueden explorar más configuraciones posibles y, por lo tanto, descubrir estados que actúan como una especie de derivación, lo que permite que el sistema caliente supere al frío cuando ambos caen. hacia un estado final más frío.

"Todos tenemos esta imagen ingenua que dice que la temperatura debe cambiar de forma monótona", dijo Raz. "Empiezas a una temperatura alta, luego a una temperatura media y vas a una temperatura baja". Pero para algo fuera de equilibrio, "no es realmente cierto decir que el sistema tiene una temperatura", y "dado que ese es el caso, puede haber atajos extraños".

El trabajo que invita a la reflexión atrajo el interés de otros, incluido un grupo español que comenzó a simular lo que se conoce como fluidos granulares (colecciones de partículas rígidas que pueden fluir como líquidos, como arena o semillas) y demostró que estos también pueden tener Efectos tipo Mpemba. La física estadística Marija Vucelja de la Universidad de Virginia comenzó a preguntarse qué tan común podría ser el fenómeno. "¿Es esto como una aguja en un pajar, o podría ser útil para protocolos óptimos de calefacción o refrigeración?" ella preguntó. En un estudio de 2019, ella, Raz y dos coautores descubrieron que el efecto Mpemba podría aparecer en una fracción significativa de materiales desordenados, como el vidrio. Si bien el agua no es un sistema de este tipo, los hallazgos cubrieron una enorme variedad de posibles materiales.

Para investigar si estas corazonadas teóricas tenían alguna base en el mundo real, Raz y Lu se acercaron a Bechhoefer, un experimentador. "Literalmente, me agarraron después de una charla y me dijeron: 'Oye, tenemos algo que queremos que sepas'", recordó Bechhoefer.

La configuración experimental que Bechhoefer y su colaborador Avinash Kumar idearon ofrece una mirada muy conceptual y simplificada a una colección de partículas bajo la influencia de diferentes fuerzas. Una cuenta de vidrio microscópica que representa una partícula se coloca en un "paisaje de energía" en forma de W, creado con láser. El más profundo de los dos valles en este paisaje es un lugar de descanso estable. El valle menos profundo es un estado "metaestable": una partícula puede caer en él, pero eventualmente puede ser arrojada al pozo más profundo. Los científicos sumergieron este paisaje en agua y usaron pinzas ópticas para colocar la perla de vidrio dentro de él 1000 veces diferentes; colectivamente, los ensayos son equivalentes a un sistema con 1.000 partículas.

Inicialmente, un sistema "caliente" era uno en el que la cuenta de vidrio podía colocarse en cualquier lugar, ya que los sistemas más calientes tienen más energía y, por lo tanto, pueden explorar más del paisaje. En un sistema "cálido", la posición inicial se limitaba a un área más pequeña cerca de los valles. Durante el proceso de enfriamiento, la perla de vidrio primero se asentó en uno de los dos pozos, luego pasó un período más largo saltando de un lado a otro, golpeada por las moléculas de agua. El enfriamiento se consideró completo cuando la perla de vidrio se estabilizó pasando cantidades específicas de tiempo en cada pozo, como el 20% de su tiempo en el metaestable y el 80% en el estable. (Estas proporciones dependían de la temperatura inicial del agua y del tamaño de los valles).

Para ciertas condiciones iniciales, el sistema caliente tardó más en establecerse en una configuración final que el sistema tibio, lo que coincide con nuestras intuiciones. Pero a veces las partículas en el sistema caliente se asentaban en los pozos más rápidamente. Cuando los parámetros experimentales se ajustaron a la perfección, las partículas del sistema caliente encontraron casi de inmediato su configuración final, enfriándose exponencialmente más rápido que el sistema cálido, una situación que Raz, Vucelja y sus colegas habían predicho y llamaron el fuerte efecto Mpemba. Informaron los resultados en un artículo de Nature de 2020 y publicaron experimentos similares que muestran el efecto inverso de Mpemba en PNAS a principios de este año.

"Los resultados son claros", dijo Raúl Rica Alarcón de la Universidad de Granada en España, quien está trabajando en experimentos independientes relacionados con el efecto Mpemba. "Muestran que un sistema que está más lejos del objetivo puede alcanzar este objetivo más rápido que otro que está más cerca del objetivo".

Experimentos recientes con láseres y perlas de vidrio realizados por Avinash Kumar (arriba) y John Bechhoefer de la Universidad Simon Fraser indican que los líquidos calientes pueden relajarse hasta alcanzar el equilibrio más rápidamente que los líquidos fríos.

Universidad Simon Fraser (arriba); dianne mar-nicolle

Experimentos recientes con láseres y perlas de vidrio realizados por Avinash Kumar (izquierda) y John Bechhoefer de la Universidad Simon Fraser indican que los líquidos calientes pueden relajarse hasta alcanzar el equilibrio más rápidamente que los líquidos fríos.

Universidad Simon Fraser (izquierda); dianne mar-nicolle

Sin embargo, no todos están completamente convencidos de que el efecto Mpemba se haya demostrado en algún sistema. "Siempre leo estos experimentos y no me impresiona la redacción", dijo Burridge. "Nunca encuentro una explicación física clara, y creo que eso nos deja con una pregunta interesante sobre si los efectos similares a los de Mpemba existen de manera significativa".

Los ensayos de Bechhoefer parecen ofrecer una idea de cómo podría surgir el efecto Mpemba en sistemas con estados metaestables, pero se desconoce si es el único mecanismo o cómo una sustancia en particular sufre tal calentamiento o enfriamiento fuera del equilibrio.

Determinar si el fenómeno ocurre en el agua sigue siendo otra pregunta abierta. En abril, Raz y su estudiante de posgrado Roi Holtzman publicaron un artículo que muestra que el efecto Mpemba podría ocurrir a través de un mecanismo relacionado que Raz describió previamente con Lu en sistemas que experimentan una transición de fase de segundo orden, lo que significa que sus formas sólidas y líquidas pueden no coexisten a la misma temperatura. El agua no es un sistema de este tipo (tiene transiciones de fase de primer orden), pero Bechhoefer describió el trabajo como si se estuviera acercando gradualmente a una respuesta para el agua.

Por lo menos, el trabajo teórico y experimental sobre el efecto Mpemba ha comenzado a dar a los físicos un asidero en los sistemas fuera del equilibrio de los que de otro modo carecerían. "La relajación hacia el equilibrio es una pregunta importante para la que, francamente, no tenemos una buena teoría [para]", dijo Raz. Identificar qué sistemas podrían comportarse de formas extrañas y contrarias a la intuición "nos daría una idea mucho mejor de cómo los sistemas se relajan hacia el equilibrio".

Después de iniciar una controversia de décadas con sus interrogatorios de adolescente, el propio Mpemba pasó a estudiar gestión de la vida silvestre y se convirtió en oficial principal de juego en el Ministerio de Recursos Naturales y Turismo de Tanzania antes de jubilarse. Según Christine Osborne, viuda de Denis Osborne, Mpemba falleció alrededor de 2020. La ciencia sigue brotando de su insistencia en el efecto que lleva su nombre. Osborne, discutiendo los resultados de sus investigaciones juntos, aprendió una lección del escepticismo inicial y el rechazo que había enfrentado la afirmación contraria a la intuición del colegial: "Señala el peligro de una física autoritaria".

Escritor colaborador

29 de junio de 2022

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