Effetto Mpemba: quando l’acqua calda congela prima di quella fredda

Lo chiamano effetto Mpemba ed è uno dei fenomeni più controintuitivi della termodinamica: secondo alcune osservazioni, alcuni liquidi caldi congelerebbero più in fretta di quelli freddi. Nonostante questo fenomeno sia noto da tempo, nessuno l’ha mai dimostrato in modo rigoroso. Un gruppo di ricercatori spagnoli è finalmente riuscito a dare una spiegazione teorica di questo fenomeno, dimostrando che si verifica quando le caratteristiche chimico-fisiche del liquido si avvicinano a quelle di un fluido granulare.

La formazione di cristalli su una bolla di sapone (Immagine: Pixabay).

 

Effetto Mpemba: folklore scientifico o qualcosa di più?

Già nel IV secolo a.C. Aristotele aveva osservato che i liquidi preriscaldati tendono a congelare più velocemente. Commenti a sostegno di questa osservazione sono arrivati nei secoli seguenti anche da Francis Bacon e da Cartesio, ma nessuno sembra essersi mai dedicato a uno studio approfondito del fenomeno, forse perché era così controintuitivo da non sembrare nemmeno vero.

La svolta arriva a metà del Novecento in Tanzania. Nel 1960 lo studente Erasto Mpemba sta preparando la miscela per il gelato in un corso di cucina. I tempi stringono e, a differenza del suo compagno di corso, Erasto decide di infilare la miscela ancora calda nel congelatore senza aspettare che sia ritornata a temperatura ambiente. Dopo un’ora e mezza i due studenti tornano a controllare il gelato e, con comprensibile stupore, Erasto si accorge che il suo liquido è già compatto, a differenza di quello dell’amico che ancora non si è congelato completamente. La cosa poteva essere dimenticata e attribuita a qualche bizzarria del congelatore, ma Mpemba non lascia scivolare quell’episodio nel dimenticatoio e più tardi condivide la sua osservazione con il professor D.G. Osborne in visita all’Università di Dar es Salaam. I due scrivono a quattro mani un articolo che apparirà nel 1969 sulla rivista Physics Education con il semplice titolo «Cool?»: da allora il fenomeno è noto a tutti come effetto Mpemba.

 

L’effetto Mpemba è vero, e lo è anche il suo contrario

Per anni l’effetto Mpemba è rimasto poco più di una curiosità didattica e in ambiente accademico nessuno ha mai approfondito l’argomento in modo rigoroso. Basti pensare il 90% delle pubblicazioni relative all’effetto Mpemba si trova su periodici di divulgazione scientifica e non su riviste scientifiche.

Nell’articolo pubblicato su Physical Review Letters i ricercatori spagnoli hanno studiato a livello macroscopico e microscopico le variabili che favoriscono l’effetto Mpemba: le condizioni ottimali si verificano quando il liquido si comporta come un fluido granulare. Le particelle di un fluido, scontrandosi, cedono energia; una delle ipotesi è che, se il liquido è caldo, il moto delle particelle sia più intenso e che questi “scontri” avvengano con più facilità. Questo potrebbe spiegare perché il raffreddamento sia più rapido. Partendo da questi presupposti, i ricercatori hanno messo a punto un sistema di calcolo per prevedere l’evoluzione dell’effetto Mpemba in diverse condizioni e hanno così dimostrato che il liquido più caldo è il più veloce a raffreddarsi. Ma è vero anche il contrario, ovvero che il liquido più freddo è anche quello che si riscalda più velocemente; quest’ultimo caso è stato ribattezzato effetto Mpemba inverso.

Questo è il primo articolo scientifico che definisce in modo puntuale il contorno teorico dell’effetto Mpemba. Già un altro studio, pubblicato nel 2016 da Scientific Reports, aveva tentato la stessa impresa ma era giunto a risultati negativi e gli autori avevano concluso, con palese rammarico, che l’effetto Mpemba tutto sommato non esisteva. Lo studio spagnolo dà oggi nuova energia ai “sostenitori” dell’effetto Mpemba, dimostrando che – almeno in opportune condizioni chimico-fisiche – i liquidi caldi congelano più velocemente. Se confermati, questi risultati potrebbero tornare utili anche al di fuori dell’ambiente culinario, per esempio per progettare strumenti elettronici che si raffreddano più velocemente e non vanno incontro a danni da surriscaldamento.

 

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