Fin dai tempi di Aristotele, le persone hanno fatto l'osservazione controintuitiva che l'acqua calda a volte si congela più velocemente dell'acqua fredda. Nei tempi moderni, l'osservazione è stata chiamata l'effetto Mpemba dopo Erasto Mpemba, uno studente di scuola elementare che vive in quella che oggi è la Tanzania nei primi anni '60. Quando si prepara il gelato, Mpemba ha osservato che l'utilizzo di latte più caldo fa congelare il gelato più velocemente rispetto a quando si utilizza latte più freddo.

Negli ultimi decenni, l'effetto Mpemba è stato studiato e osservato in diversi sistemi fisici oltre all'acqua, inclusi risonatori a nanotubi di carbonio e gabbie d'acqua simili al ghiaccio chiamate idrati di clatrato. Nonostante questi riscontri, le cause dell'effetto non sono ben comprese. Le spiegazioni proposte includono la presenza di impurità, legame idrogeno, e superraffreddamento. Anche la mera esistenza dell'effetto Mpemba rimane controversa, come uno studio recente ha trovato prove insufficienti per replicare un effetto significativo.

Ora, il loro interesse riacceso da un recente articolo che propone un meccanismo generico per effetti simili, gli scienziati Antonio Lasanta e i coautori delle università spagnole sono tornati sulla questione in un nuovo studio pubblicato su Lettere di revisione fisica . Nel loro lavoro, i ricercatori dimostrano e studiano teoricamente l'effetto Mpemba nei fluidi granulari, come quelli fatti di sabbia o altre piccole particelle.

Utilizzando simulazioni di sistemi granulari e un semplice approccio di teoria cinetica, i ricercatori sono stati in grado di determinare che le condizioni iniziali in cui il sistema è preparato svolgono un ruolo fondamentale nel determinare se il sistema mostra o meno l'effetto Mpemba. La loro analisi ha anche permesso loro di identificare le condizioni iniziali richieste affinché un sistema granulare esibisse l'effetto Mpemba.

"Il nostro lavoro mostra che l'esistenza dell'effetto Mpemba è molto sensibile alla preparazione iniziale del fluido o, in altre parole, alla sua storia precedente, " coautore Andrés Santos dell'Università dell'Estremadura a Badajoz, Spagna, detto Phys.org . "Secondo noi, questo può spiegare l'inafferrabilità e la controversia dell'effetto Mpemba in acqua, come conseguenza della mancanza di controllo sulla dettagliata preparazione iniziale del campione."

Come hanno dimostrato i ricercatori, se un sistema non è preparato in determinate condizioni iniziali, quindi il sistema più freddo si raffredda più rapidamente di quello più caldo, come previsto, e non c'è effetto Mpemba.

"In teoria abbiamo mostrato, almeno nel caso di un gas, che l'evoluzione della temperatura di un sistema e quindi la sua velocità di raffreddamento e/o riscaldamento non dipendono solo dalla temperatura iniziale, ma anche sulla storia precedente del sistema che controlla il valore iniziale delle variabili aggiuntive, "Santos ha detto. "Pertanto, è perfettamente possibile che un sistema inizialmente riscaldato si raffreddi più rapidamente di uno più freddo con una storia diversa."

Come hanno spiegato ulteriormente i ricercatori, la semplicità dell'effetto Mpemba nei fluidi granulari rispetto all'acqua e ad altri sistemi ha permesso di raggiungere questa conclusione.

"I nostri risultati mostrano che l'effetto Mpemba è un generico fenomeno di non equilibrio che si manifesta se l'evoluzione della temperatura dipende da altre grandezze fisiche che caratterizzano lo stato iniziale del sistema, "Santos ha detto. "In pratica, tale stato iniziale può essere raggiunto sperimentalmente se il sistema è preso da qualche procedura fisica molto lontano dall'equilibrio (per esempio, da un improvviso impulso di riscaldamento prima del raffreddamento). Il nostro lavoro teorico e computazionale mostra che l'effetto Mpemba è particolarmente semplice in un gas granulare, da, in pratica, c'è un singolo parametro extra che controlla l'effetto Mpemba. Questo parametro è la curtosi, che misura la deviazione della funzione di distribuzione della velocità da una distribuzione gaussiana."

Con questa nuova comprensione, i ricercatori potrebbero stimare un intervallo di temperature iniziali per cui emerge l'effetto e determinare quanto devono essere diversi i valori iniziali di questo parametro affinché si manifesti l'effetto Mpemba.

I risultati supportano anche le previsioni dell'esistenza di un effetto Mpemba inverso:quando riscaldato, un campione più freddo può raggiungere una temperatura target calda prima di un campione più caldo. I ricercatori hanno in programma di indagare su quest'area e su altre in futuro.

"Dal lato teorico, intendiamo condurre uno studio simile nel caso di un soluto molecolare (dove le collisioni sono completamente elastiche) sospeso in un solvente che produce una forza di trascinamento non lineare sulle particelle di soluto, "Santos ha detto. "Tornando ai fluidi granulari, vogliamo anche analizzare l'impatto della rugosità e dello spin delle particelle sull'effetto Mpemba. In quest'ultimo sistema, il modello più semplice accoppierebbe l'evoluzione della temperatura a quella del parametro che misura la non equipartizione dell'energia tra i gradi di libertà traslazionale e rotazionale.

"Sul lato sperimentale, pensiamo che riprodurre in laboratorio l'effetto Mpemba in un gas granulare sarebbe una svolta. Attualmente stiamo lavorando alla progettazione di un esperimento ad hoc".

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