¿Por qué el agua caliente se congela más rápido que la fría?

¿Por qué el agua caliente se congela más rápido que la fría?

Este curioso efecto físico-químico puede haber encontrado su explicación gracias a un estudio de la Universidad Tecnológica Nanayang de Singapur. Sin embargo, este efecto ya despertó la curiosidad de ilustres cientificos como Aristóteles, Francis Bacon o René Descartes. Este efecto descubierto por un alumno de instituto llamado Erasto B. Mpemba, en los años 70, cuando en una clase realizó sus helados con leche caliente y observó que se congelaban antes que los de sus compañeros que los habian hecho con leche fría, debido a esto este efecto fue denominado como "efecto Mpemba" gracias a su descubridor.

¿Cómo puede ser posible algo que resulta tan contradictorio?

Cubitos de hielo

Se cree haber demostrado que este suceso es posible según un estudio realizado por la Universidad Tecnológica Nanyang de Singapur. 

Este misterio ya había sido planteado y estudiado por ilustres de las ciencias antiguas como  el propio Aristóteles (que dejo plasmado en sus escritos como los habitantes de la actual Turquía rociaban las estacas de las empalizadas con agua caliente para asegurarlas), Francis Bacon o René Descartes que también observaron este fenómeno y se plantearon si de verdad era posible.

Ya en una época más avanzada, alrededor de los años 70, un joven llamado Erasto B. Mpemba se dio cuenta que al mezclar agua caliente para hacer helados, con sus correspondientes ingredientes, esta se congelaba antes que los hechos con agua fría, a partir de ese momento se le denomino a este fenómeno "efecto Mpemba".

En la revista Phys (http://phys.org/news/2013-11-faster-cooler.html#ajTabs) se publica que fue la primera explicación satisfactoria para este suceso.

El equipo de la Universidad de Singapur que ha estudiado este fenómeno ha podido llegar a unas conclusiones físico-químicas que explican cómo y porque se produce.

Según la explicación dada:

Todas las moléculas tienen una energía acumulada, además pueden absorber energía en su interior gracias a sus enlaces, la molécula de agua presenta dos tipos de enlaces los que unen los átomos de H con los átomos de O (que se denominan enlaces covalentes) y los enlaces que unen las moléculas de agua entre sí denominados "puentes de Hidrogeno".

Los puentes de hidrógeno son fuerzas intermoleculares, ocurren entre diferentes moléculas, entre átomos que presentan una alta electronegatividad, que tienen tendencia a atraer electrones, que presentan pares de electrones desapareados y átomos con una electronegatividad media

Puentes de Hidrógeno. Obtenido del blog: Alquimista Giraldo

Siguiendo estos principios podemos saber que al calentar el agua la energía utilizada para calentarla es almacenada en los "puentes de Hidrógeno". Estos enlaces absorben la energía y se alargan aumentando la distancia entre las moléculas.

Como conclusión final y sabiendo también que la energía se mueve de donde hay más energía a donde hay menos, y además, que cuanto mayor sea la diferencia de energía con mayor velocidad se mueve, se podría explicar así porque el agua caliente se congela de forma más rápida que el agua fría.

Estas conclusiones fueron publicadas en el servidor de preimpresiones de artículos científicos arXiv.

A continuación hemos encontrado un vídeo donde se ha realizado el experimento para determinar el "efecto Mpemba".

Explicación del vídeo:

El vídeo nos muestra un experimento donde han colocado 4 tubos: tres de ellos calentados y uno de ellos enfriado. Nombrados de izquierda a derecha.
Tubo 1: 63.5 ºC
Tubo 2: 63.9 ºC
Tubo 3: 28.5 ºC
Tubo 4: 60.5 ºC

Los 4 tubos son introducidos en un recipiente a una temperatura de -18ºC y el vídeo comienza transcurridos 8 minutos y 15 segundos desde su introducción en el recipiente. 

- Podemos observar como en el primer tubo que se empieza a congelar a los 9 minutos es el Tubo 4, que inicialmente estaba a 60.5 ºC.

- El segundo tubo que se congela a las 9 minutos y 30 segundos es el Tubo 1, que inicialmente estaba a 63.5 ºC. 

- El tercer tubo que se congela a los 10 minutos es el Tubo 2, que inicialmente estaba a 63.9 ºC. 

- El último tubo en congelarse a los 11 minutos y 30 segundos es el Tubo 3, que inicialmente estaba a 28.5 ºC.

Uno de los principales problemas que ha presentado el estudio de este efecto es que depende de muchas variables y hay que tenerlas en cuenta, ya que, están todas relacionadas y si varía una afecta a las demás variables.

El efecto Mpemba dice que dados dos recipientes con agua cuyas temperaturas varíen más de 30º (aprox.), el recipiente con agua caliente se congelará antes que el de agua fría. Esto se debe a muchos factores:

• Evaporación: El agua caliente presenta una mayor facilidad de evaporación, esta tiene una mayor temperatura y un mayor movimiento de los átomos esto provoca una mayor facilidad de evaporación, por lo tanto la cantidad de agua que queda para congelarse es menor que si esta está a una temperatura menor.

• Convección: La convección es una forma de transmisión de calor. Durante la congelación, las partes frías de agua bajan hacia la parte baja del recipiente y viceversa, creándose una corriente de convección. En el agua caliente, al presentar una mayor diferencia de temperatura entre sus partes calientes y las que se enfrían provoca que esta corriente sea mucho más rápida, y por lo tanto una mayor rapidez de enfriamiento.

• Gases disueltos: El agua caliente posee puede disolver menos gases, que dificultan la congelación, la solubilidad de los gases en sustancias líquidas disminuye con una mayor temperatura. En consecuencia el agua caliente presentará una menor cantidad de gases disueltos y tendrá una mayor facilidad de congelación.

• Subenfriamiento: El agua tiene la capacidad de enfriarse por debajo de su temperatura de congelación, que es 0ºC (si es agua pura), antes de llegar a congelarse.

A pesar de todos los problemas que hayan podido ocurrir en el planteamiento de las ecuaciones debido a la influencia de tantas variables se ha conseguido dar una explicación lógica a este fenómeno que podía resultar contradictorio pero que como se ha demostrado tiene su lógica y es posible que se dé, eso si siempre en unas condiciones determinadas.

Realizado por: 
Antonio Jesús Porcuna Blancas y Melani María Poyatos Penalva