Antes de explicar en qué consiste el “efecto Mpemba”, debemos tener claros los conceptos de frío y calor. Aunque pueda parecer innecesario, ya que empleamos esos términos a diario, es necesario que expliquemos, aunque sea de forma somera, a qué nos estamos refiriendo ya que solo de esta forma podremos comprender el fondo de la cuestión.
El frío referido a un cuerpo se define como aquel que tiene una temperatura muy inferior a la ordinaria del ambiente. Por lo tanto, el frío es una consecuencia del calor o, mejor dicho, el frío es la ausencia de calor. Partiendo de esta circunstancia, definimos el calor como la energía que pasa de un cuerpo a otro y es causa de que se equilibren sus temperaturas. Quedémonos por tanto con la correlación: calor = energía.
Sentado lo anterior, podemos concluir que si introducimos en un congelador dos vasos de agua que se encuentran a diferentes temperaturas ―pongamos por caso, uno a 25 ºC y otro a 65 ºC― aquel de los dos con el agua más fría se congelará antes. Esto debe suceder porque el agua del primer vaso tiene que perder menos energía (véase calor) para llegar al punto de congelación (tendrá que pasar de los 25 ºC a los 0 ºC, en lugar de los 65 ºC a los 0 ºC). En otras palabras: ya que el vaso con agua caliente tiene que perder más calor que el que está más frío, tardará más tiempo en este proceso, por lo que el vaso con el agua más fría se congelará antes. Pues bien, aunque la física y la lógica deberían estar de acuerdo en esta conclusión, la realidad es más incómoda.
Se da la circunstancia de que bajo determinadas condiciones, el agua caliente puede congelarse antes que la fría.
Conocemos este fenómeno con el nombre de “efecto Mpemba”. Erasto Mpemba era un joven estudiante tanzano que se dio cuenta de que su helado se había congelado antes que el de sus compañeros a pesar de que cuando introdujo su mezcla en el congelador la leche aún estaba caliente. Cuando contó lo que había observado, ni sus compañeros de clase ni sus profesores le prestaron la menor atención. A pesar de este rechazo inicial, decidió perseverar y repetir el experimento. De nuevo obtuvo los mismos resultados, lo que le armó de valor para hablar con el físico Denis Osborne, profesor universitario en Dar es-Salaam, que había acudido a su escuela para ofrecer unas conferencias.
Osborne sí se tomó en serio las explicaciones de Mpemba: reprodujo con éxito la experiencia y juntos publicaron los resultados. Desde entonces se busca una explicación válida para el fenómeno aunque sin mucho éxito como veremos.
Antes de pasar a las hipótesis ofrecidas para explicarlo, debemos señalar que ya en la antigüedad se habían percatado de él. Aristóteles, en el primer libro de su Meteorológica, relata que los habitantes de Ponto (la actual Turquía) rociaban las estacas de sus empalizadas con agua caliente para asegurarlas, ya que así se congelaban antes. En el s. XIII, Roger Bacon refería en su Opus majus que el agua caliente vertida sobre el hielo se congelaba con mayor rapidez que la fría. Más tarde, tanto Francis Bacon como René Descartes se ocuparon del fenómeno tratando de darle una explicación.
Muchos científicos han tratado de encontrar la solución a la aparente paradoja. El físico estadounidense Jearl Walker efectuó en 1977 sus propios ensayos llegando a la conclusión de que el efecto Mpemba se manifestaba a la perfección cuando se escogían recipientes con una determinada forma y una cantidad concreta de agua. Estos resultados le permitieron ofrecer una explicación del fenómeno: la evaporación del agua. Si partimos de una cantidad determinada de agua caliente, una fracción importante de la misma se evaporará durante el enfriamiento, por lo que la masa total de agua que debe enfriarse ―y, por tanto, la cantidad de energía que debe extraerse― resultará tanto menor cuanto más elevada sea la temperatura inicial. Dado que la evaporación del agua tiene lugar en la zona que se encuentra en contacto con el aire, podemos comprender que la forma del recipiente influya en el efecto Mpemba: un recipiente con una abertura muy estrecha ―una botella― permitirá una evaporación menor que la que se produce, por ejemplo, en un plato.
Aunque esta sea una explicación razonable, no basta por sí sola para explicar el efecto puesto que éste también se da en un recipiente cerrado.
Otra explicación parte de que la temperatura del agua no es homogénea. Esto requiere una explicación: una vez que el recipiente se introduce en una atmósfera gélida, la temperatura del agua ya no será homogénea en todo su contenido. Esto sucede porque la densidad del agua (o su peso, a estos efectos) depende de la temperatura: alcanza su valor máximo a cuatro grados Celsius (4 ºC). En los bordes del recipiente el agua se enfría, cae al fondo al tener mayor densidad, y es reemplazada por agua más caliente que sube hacia arriba, creando una serie de movimientos convectivos circulares. Estos movimientos favorecen la transferencia de calor logrando un enfriamiento más rápido del recipiente que contiene agua más caliente. Esta conclusión es en realidad una suposición ya que, aún hoy se desconoce con exactitud si el enfriamiento es más rápido o más lento.
Treinta años después del trabajo de Walker ninguna explicación sólida ha visto la luz.
Por este motivo, la Royal Society of Chemistry ha ofrecido un premio de 1.000 libras para la persona (o el equipo) que ofrezca la mejor y más creativa explicación del fenómeno. El plazo de inscripción ya ha finalizado, y se han presentado más de 22.000 candidatos a lograr el reconocimiento internacional por obtener la resolución de uno de los fenómenos físicos más sorprendentes y curiosos. Aún se está deliberando quién será el ganador.
Para terminar, veamos una demostración gráfica del efecto:
En el vídeo vemos un primer experimento con agua del grifo donde parte de ella se convierte en pequeñas bolas de hielo. Sin embargo, al emplear agua hirviendo, ésta se congela inmediatamente formando una nube de vapor de agua helada.
A continuación dejo algunos de los últimos artículos publicados que pretenden dar una explicación del efecto:
