Per secoli, scienziati attenti, da Aristotele a Cartesio, hanno nutrito il sospetto che, contrariamente a tutta la saggezza convenzionale, l’acqua calda possa in qualche modo congelare più velocemente dell’acqua fredda. Ma non c'era consenso scientifico sul fatto che questa congettura fosse effettivamente vera.
Nel 1963, uno studente di fisica della Tanzania di nome Erasto B. Mpemba (pronunciato em-pem -ba) ha riacceso l'idea grazie a un incidente fortuito accaduto mentre stava preparando il gelato a scuola. Sembrava dimostrare ciò che Aristotele e Cartesio avevano sospettato:l'acqua calda raggiunge il punto di congelamento più velocemente dell'acqua fredda. Ha scritto delle sue osservazioni in un articolo del 1969, intitolato semplicemente "Cool?" che ha dato origine al termine “effetto Mpemba”. Ma Erasto Mpemba aveva ragione? L'acqua calda congela davvero più velocemente dell'acqua fredda?
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L'effetto Mpemba è un concetto fisico che postula che quando l'acqua calda e l'acqua fredda vengono poste nello stesso ambiente gelido, l'acqua calda si congela più velocemente dell'acqua fredda.
Erasto Mpemba ha notato che mentre la sua classe stava preparando il gelato, ha messo una miscela quasi bollente di zucchero e latte (che è principalmente acqua) in un congelatore, e si è congelata prima di altre miscele che erano state raffreddate a temperatura ambiente prima del congelamento. /P>
L'estrapolazione di Mpemba da questa osservazione è che quando volumi identici di acqua - uno a 212 gradi Fahrenheit (100 gradi Celsius) e l'altro a 95 gradi Fahrenheit (35 gradi Celsius) - venivano posti in contenitori identici e messi in un congelatore, la temperatura a 212 gradi l'acqua si trasformerebbe in ghiaccio più velocemente. L'osservazione del gelato e l'ipotesi dell'acqua di Mpemba lo hanno allineato con molti secoli di scienziati che avevano sospettato questa insolita proprietà dell'acqua.
Quando l'acqua si congela in ghiaccio, subisce un cambiamento di fase; si trasforma da liquido in solido. I fisici tradizionalmente dichiarano la fase di una sostanza quando è all'equilibrio. Ciò significa che la sostanza è in uno stato stabile e quantità significative di energia non fluiscono da una regione all'altra. Significa anche che il suo volume e la sua temperatura rimangono costanti. Quando una sostanza non è in equilibrio, i suoi livelli energetici fluttuano, e così anche (potenzialmente) il suo stato della materia.
Affinché l'acqua possa congelarsi e rimanere congelata, le singole particelle d'acqua devono raggiungere l'equilibrio. Se troppa energia fluisce attraverso l’acqua non in equilibrio, oscillerà tra solido e liquido (a basse temperature) o liquido e gas (a temperature più elevate). Prima le particelle d'acqua raggiungono l'equilibrio a bassi livelli di energia, prima possono congelarsi.
I fisici stanno ancora discutendo se l’acqua calda congeli costantemente più velocemente dell’acqua fredda. Quando ciò accade, devono essere soddisfatte determinate condizioni.
Quando un recipiente pieno d'acqua viene immerso in un ambiente gelido, diverse parti dell'acqua raggiungono l'equilibrio in momenti diversi. L'acqua intorno alla periferia della nave si raffredda più velocemente, il che significa che potrebbe congelare mentre l'acqua al centro della nave rimane liquida. E quando metti specificamente un recipiente di acqua calda in un congelatore (come l'acqua bollente a 212 gradi descritta da Mpemba), viene rilasciato anche vapore dalla parte superiore del recipiente, e questo diminuisce il volume totale di acqua che deve congelare.
Inoltre, l'acqua fredda (o anche l'acqua a temperatura ambiente) spesso sviluppa uno strato di brina sulla sua superficie come parte del processo di congelamento. Ironicamente, questo gelo isola temporaneamente l’acqua (un po’ come un igloo di ghiaccio isola i suoi abitanti dall’aria fredda), il che può rallentare il processo di congelamento complessivo. L'acqua calda, almeno nelle fasi iniziali, blocca la formazione di brina, che permette all'aria fredda di penetrare più in profondità all'interno del vaso.
Questi sono alcuni dei modi in cui l’acqua calda può provocare il congelamento più velocemente dell’acqua fredda. Ma ricorda che affinché l'acqua possa congelarsi e rimanere congelata, deve raggiungere uno stato di equilibrio.
Se c’è prova che l’effetto Mpemba è reale e coerente, proviene da uno studio del 2020 di John Bechhoefer e Avinash Kumar. Pubblicato sulla rivista Nature, lo studio ha sottoposto microscopiche perle di vetro a quello che hanno chiamato un “paesaggio energetico” controllato da laser. I ricercatori hanno riscaldato le perle a temperature diverse. Hanno poi osservato quale delle perle ha raggiunto per prima uno stato di equilibrio all'interno di quel panorama energetico.
Bechhoefer e Kumar osservarono che le perle microscopiche che si formavano ad alte temperature raggiungevano l'equilibrio più velocemente di quelle che si formavano a temperature più basse. Questo è abbastanza interessante, ma in che modo il raggiungimento dell'equilibrio è correlato al congelamento?
Il collegamento deriva da un lavoro precedente svolto da Zhiyue Lu dell’Università della Carolina del Nord e Oren Raz del Weizmann Institute of Science in Israele. Il loro articolo, "Termodinamica di non equilibrio dell'effetto Markoviano Mpemba e il suo inverso", pubblicato su Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) e descritto da Quanta Magazine, postula che i sistemi di materia più caldi potrebbero essere in grado di saltare avanti nel processo di raggiungere l'equilibrio, raggiungendo così uno stato stabile più velocemente di un sistema più freddo.
Se il rilassamento verso l'equilibrio è un punto di riferimento critico nel processo di congelamento dell'acqua, allora il lavoro combinato di Bechhoefer e Kumar insieme a Lu e Raz potrebbe dimostrare l'esistenza di un effetto Mpemba.
L’effetto Mpemba non è uniformemente accettato come un fenomeno scientifico provato. Tuttavia, secoli di osservazione, oltre al recente lavoro di Bechhoefer, Kumar, Lu e Raz, hanno convinto molti fisici che, nelle giuste circostanze, l'acqua calda può davvero raggiungere il punto di congelamento più velocemente dell'acqua fredda.
Alcuni scienziati, come Harry Burridge e Paul Linden, rimangono scettici. Riconoscono che mentre alcuni recipienti di acqua calda possono congelare più velocemente di recipienti di acqua fredda di pari dimensioni, anche il minimo cambiamento delle condizioni cancella l’effetto. Lo studio di Burridge e Linden del 2016, "Domanda sull'effetto Mpemba:l'acqua calda non si raffredda più rapidamente di quella fredda", ha scoperto che qualsiasi prova dell'effetto Mpemba dipendeva dalle dimensioni di un recipiente pieno d'acqua e dal posizionamento di un termometro. In uno studio separato, il ricercatore James Brownridge ha scoperto che le impurità in un recipiente d'acqua (come quelle nella miscela di gelato di Mpemba) alterano il punto di congelamento del liquido. Pur riconoscendo che ci sono momenti in cui l'acqua calda congela più velocemente dell'acqua fredda, questi scienziati sostengono che il fenomeno non si applica in modo uniforme in natura.
Tuttavia altri fisici, come Raúl Rica Alarcón dell’Università spagnola di Granada, ritengono che questi nuovi set di dati, come quelli offerti da Bechhoefer e Kumar, siano significativi. "La mia opinione è che l'effetto Mpemba possa verificarsi in circostanze particolari", afferma Rica Alarcón, "ma stiamo ancora cercando di capire quali siano le condizioni minime perché ciò accada."
Rica Alarcón osserva che l'osservazione dell'effetto Mpemba comporta sempre drastiche differenze di temperatura tra un recipiente d'acqua e l'ambiente circostante. E, aggiunge, puoi osservare fenomeni altrettanto intriganti invertendo le temperature e posizionando il ghiaccio congelato in un ambiente caldo.
L'effetto Mpemba, spiega Rica Alarcón, "sembra far parte di un ampio gruppo di effetti di termalizzazione anomali, che si verificano quando un sistema viene improvvisamente messo in contatto con un bagno termale a una temperatura diversa". L'effetto Mpemba descrive un cambiamento di fase da caldo a freddo come "quando prendi una tazza calda e la metti nel frigorifero o nel congelatore". Ma anche i cambiamenti di fase da freddo a caldo provocano risultati insoliti. "Effetti interessanti si verificano quando si abbassa la temperatura da fredda a calda", afferma Rica Alarcón, "come quando si mette un cubetto di ghiaccio nell'acqua bollente."
Sappiamo che molte generazioni di scienziati hanno osservato il congelamento dell’acqua calda con una velocità sorprendente. Rica Alarcón ci esorta a considerare questo processo in modo più olistico e a pensare all’effetto Mpemba come parte di un fenomeno più ampio. "La termalizzazione", spiega, "può seguire percorsi controintuitivi perché i processi avvengono fuori equilibrio."
Proprio come l’acqua dolce, l’acqua dell’oceano può congelare, ma lo fa solo a una temperatura più bassa. L'acqua di mare congela a circa 28,4 gradi Fahrenheit (meno 2 gradi Celsius) a causa del suo contenuto di sale, mentre l'acqua dolce congela a 32 gradi Fahrenheit (0 gradi Celsius).
