Perché l’acqua calda congela prima? (Effetto Mpemba)

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L’effetto Mpemba è attribuito al fenomeno per cui l’acqua calda congela più velocemente di quella fredda. Questa realizzazione stravolge le apparenti certezze fisiche mostrando che l’acqua fredda congela più lentamente di quella calda. Com’è possibile questo fenomeno?

Come è stato scoperto l’effetto Mpemba?

L’effetto Mpemba prende il nome dallo studente della Tanzania, Erasto Bartholomeo Mpemba (1950-2020), il quale notò nel 1963 il bizzarro comportamento dell’impasto del gelato nel farlo congelare. Lo studente osservò sperimentalmente che l’impasto congelava più velocemente se questo era tiepido piuttosto che freddo.

Chiariamo però che la scoperta e le osservazioni note di questo, tuttavia, provengono in realtà già da tempi antichi, essendo stato detto da Aristotele essere di conoscenza comune.

La curiosità dello studente trovò spiegazione solo pochi anni dopo quando, iscrivendosi all’università di fisica pose la domanda ad un suo docente. Questa domanda è stata motivo di una loro pubblicazione scientifica uscita nel 1969 nella quale si spiegava il fenomeno.

Perché l’acqua calda congela più velocemente di quella fredda?

Citando la frase di un revisore del Physics World: «Sebbene l’effetto Mpemba è certo sia reale, non è chiaro se la spiegazione sia banale o illuminante.».

A spiegazione di questo sono state proposte molte teorie che giustificano questo comportamento controintuitivo:

  1. Posto un liquido molto caldo nel congelatore, la massa di liquido contenuta nel bicchiere diminuisce come implicazione diretta dell’evaporazione di parte del fluido.
  2. Essendo il bicchiere caldo una fonte di calore verso il sistema esterno, questo andrà a sciogliere lo strato di ghiaccio che separa il contenitore dal ripiano del congelatore su cui è poggiato. Il contatto con il metallo freddo permette una migliore conduzione di calore.
  3. All’interno del bicchiere con fluido a T maggiore di quella esterna si manifesta un fenomeno termodinamico noto come moto di convezione (ovvero il trasferimento di calore associato ad uno spostamento di materia). La presenza di questo fenomeno migliora lo scambio di calore con l’esterno.
  4. Essendo stato il contenuto del bicchiere in precedenza riscaldato, tale processo comporta una riduzione dei gas disciolti nel liquido favorendo un fenomeno di convezione a maggiore velocità.
  5. La convezione diminuisce il surraffreddamento (fase del congelamento in cui il liquido si trova ad una temperatura minore di quella di solidificazione, senza perciò mostrare un allineamento degli atomi che comporta la formazione della fase solida cristallina).

Perché allora sussistono dei dubbi sull’effetto Mpemba?

Il congelamento è un fenomeno più complesso del solo e “semplice” scambio di calore, ma è fondamentale e necessario che avvenga anche l’allineamento tipico della forma cristallina del solido che si viene a formare. Proprio per questo motivo, è utile parlare a titolo d’esempio del vetro che, nonostante si possa pensare di associarlo ad una classica fase solida, in realtà è un liquido altamente viscoso; le molecole non riescono a cristallizzare causa alta viscosità che le intrappola impedendo di assumere il corretto allineamento. La definizione corretta è la seguente – citandola da un illustre libro di testo scientifico, Glass Science:

Il vetro è un solido amorfo. Un materiale si dice amorfo quando non è caratterizzato da un ordine a lungo raggio, cioè quando non c’è regolarità nella disposizione dei suoi costituenti molecolari su una scala più grande di alcune volte la dimensione di questi gruppi. Un solido è un materiale rigido; non scorre quando è sottoposto a forze moderate. – Doremus, R. H. (1994)

Sono queste motivazioni che rendono l’effetto Mpemba, e quindi il fenomeno, più complesso di quello che sembra e, seppure di base si ha un’idea del perché si manifesta un determinato comportamento, non è noto ancora del tutto una legge generale tale da racchiudere tutti i casi reali.

Indi per cui l’effetto dimostra la necessità di dovere assumere una serie di parametri di possibile rilevanza al fine di avere un’idea quanto più chiara di quello che avviene effettivamente nel sistema di analisi.

Per una trattazione approfondita dell’effetto Mpemba puoi leggere un lavoro di N. Bregovic, vincitore della “Mpemba Competition”: Mpemba effect_Nikola Bregovic (rsc.org)

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