EFECTO MPEMBA

O efecto Mpemba é un fenómeno polo que un líquido quente pode conxelarse máis rápido que un frío, baixo certas condicións.

Este feito, contraintuitivo, coñécese, polo menos, desde a época de Aristóteles, hai uns 2.300 anos. Foi redescubierto por Erasto Mpemba, estudante de secundaria de Tanzania, quen, xunto co físico Denis Osborne, investigouno, por primeira vez, na década de 1960. O seu artigo, publicado en 1969 en Physics Education, titulouse apropiadamente “Cool?” (frío?, en inglés). Hai poucos meses converteuse nunha tendencia viral en redes sociais, que consistía en lanzar ao aire auga fervendo para ver como se conxela rapidamente e transfórmase en neve.

Houbo certa controversia con respecto a este fenómeno, xa que resultou difícil replicar consistentemente o resultado en laboratorio. Os detalles máis pequenos teñen gran importancia, como o tamaño, a forma e o material do recipiente, ou mesmo onde se coloca o termómetro. Propuxéronse varias explicacións para o efecto Mpemba: convección, evaporación, sobre arrefriado, impurezas na mostra de auga, gases disoltos, etc. Non existe un argumento comunmente aceptado, todos os fenómenos anteriores parecen intervir.

Ademais, aínda que estas explicacións poden ser parcialmente certas para a auga, non conseguen explicar o fenómeno para outras substancias, como aliaxes de magnetorresistencia, aliaxes de polímeros e sistemas granulares, onde tamén se observa. Nun estudo de 2017 ofrécese unha explicación teórica xeral deste fenómeno, utilizando a teoría da termodinámica do non equilibrio.

De acordo a esta teoría, calquera punto no espazo de fases dun fluído en equilibrio pode describirse con tres números: a súa temperatura, volume e número de partículas. Con todo, cando o fluído está en proceso de arrefriado, non está en equilibrio e a cantidade de estados requiridos para describir o sistema aumenta a infinitas dimensións, polo que se necesitan infinitos números para cuantificar con precisión cal é o estado do fluído.

Cando un líquido quente colócase nun ambiente frío, trata de alcanzar o seu estado de enerxía máis baixo. Con todo, o panorama enerxético definido nos seus estados ten múltiples mínimos locais (é dicir, puntos que toman valores menores que os do seu ao redor), chamados pozos de enerxía metaestable. Se un líquido quente entra nestes pozos de enerxía metaestable, ten máis enerxía para escapar máis facilmente del e atopar o mínimo global (a temperatura de arrefriado), mentres que, se un líquido máis frío entra nun dos pozos de enerxía metaestable, pasará máis tempo nel.

Representación do efecto Mpemba: a frecha continua representa unha relaxación rápida e a descontinua unha lenta / PNAS

Con máis precisión, pódese modelar o estado do sistema mediante unha función de distribución de probabilidade, que describe as probabilidades de todos os posibles estados que podería ter, cuxa evolución se rexe por unha ecuación diferencial lineal. Para un sistema con estados finitos, esta evolución está determinada polas propiedades da chamada matriz de transición. Agora, para este tipo de sistema, calquera que sexa a distribución de probabilidade inicial, converxerá, nalgún momento, ao estado de equilibrio. Con todo, debido á forma da matriz de transición, existe unha función de distribución de probabilidade especial que converxerá ao estado de equilibrio á velocidade máis lenta posible, en comparación con todas as demais distribucións de probabilidade iniciais.

Así, para observar o efecto Mpemba, necesitamos que a distancia da función de distribución de probabilidade ao estado de equilibrio sexa máis pequena para o líquido máis quente, en comparación co líquido máis frío, despois dalgún tempo. Isto pode suceder se, inicialmente, a función de distribución de probabilidade para o líquido máis frío está máis preto desta función de distribución de probabilidade especial, que a do líquido máis quente. Isto dará como resultado que o líquido máis frío converja ao estado de equilibrio máis lentamente que o líquido máis quente, despois dalgún tempo.

Usando esta análise, os autores do artigo predixeron un efecto Mpemba inverso, no que cando dous líquidos quéntanse, o máis frío pode quentarse máis rápido. Este fenómeno observouse agora en experimentos. Nun estudo teórico de 2019 que utilizou un enfoque similar, os físicos tamén predixeron o efecto Mpemba forte no que, baixo parámetros coidadosamente elixidos, o líquido máis quente pode arrefriarse exponencialmente máis rápido en comparación co líquido frío inicial. Isto tamén se observou experimentalmente.

Con todo, o efecto Mpemba para a auga segue sen resolverse, e teremos que esperar uns anos máis para obter unha resposta definitiva a esta pregunta.

FONTE: Siddhant Govardhan Agrawal/elpais.com/ciencia