Efecte Mpemba

Acabo de descobrir l’existència de l’Efecte Mpemba, el qual m’ha cridat molt l’atenció. Aquí el tenim:

Descobriment de l’efecte

Es té constància de que aquest procés va ésser observat per primera vegada pel filòsof grec Aristòtil cap al 300 A.C. qui, erròniament, va explicar l’efecte recolzant-se en la seva idea de l’antiperistesi, segons la qual té lloc l’increment de la intensitat d’una qualitat com a resultat de l’aplicació de la qualitat contrària. No va ser fins l’any 1963 que aquest fenomen es va fer famós i va començar a ser estudiat científicament quan, a un institut de Tanzània, un estudiant anomenat Erasto B. Mpemba va descobrir empíricament a la classe de cuina que l’aigua ensucrada, que preparaven per fer gelats, es congelava més de pressa si aquesta era calenta que no pas si es trobava a menys temperatura. Més endavant el Dr. Osborne (física) va dur a terme estudis del procés i els resultats el van portar a confirmar les observacions dutes a terme per l’estudiant d’institut. El 1969 Osborne i Mpemba van publicar els resultats conjuntament a la Physics Education. Aquest fenomen, que sembla contradir el sentit comú i la termodinàmica, el coneixem actualment com a efecte Mpemba en honor a aquest estudiant.

Vídeo d’un experiment on es visualitza l’efecte Mpemba. 4 tubs d’assaig que contenen un mateix volum d’aigua líquida a diferents temperatures són introduïts a un congelador, la temperatura ambient a l’nterior del qual és de -18 ºC. S’observa que l’aigua que es congela més ràpidament és la dels tubs que inicialment es trobaven a temperatures més altes.

Explicació científica

Actualment encara no hi ha una única explicació a aquest complex efecte, de manera que tots plegats ens haurem de posar a rumiar, però es proposen molts efectes que hi poden contribuir. Aquí en tenim alguns:

A l’augmentar la temperatura del l’aigua continguda en un recipient…

-s’afavoreix l’evaporació d’aquesta, de manera que hi ha menys quantitat d’aigua líquida per congelar.

-i al ser refredat es creen uns corrents de convecció en el si del volum d’aigua (per la diferència de densitats entre les masses d’aigua de diferent temperatura), que afavoreixen l’intercanvi de calor i, per tant, la congelació.

-s’afavoriex el procés d’intercanvi de calor per radiació d’aquesta massa d’aigua calenta (tot i que aquest factor és gairebé menyspreable en el nostre exemple).

-disminueix la quantitat de gasos dissolts en el volum d’aigua ja que a l’augmentar la temperatura de l’aigua disminueix la solubilitat d’aquestes impureses gasoses en ella. Els gasos dissolts en l’aigua fan disminuir el seu punt de congelació.

-A més a més cal considerar també l’afavoriment de l’intercanvi de calor per convecció entre les parets del recipient i l’aire fred del congelador. Un recipient que conté aigua calenta, a diferència del que conté aigua freda, al ser introduït en un congelador evita l’acumulació de gebre (literalment el fon) a la seva superfície, la capa del qual envoltant el recipient alentiria el procés d’intercanvi de calor. Això mateix passa amb la capa de gel que inicialment es formaria a la superfície de l’aigua freda (tal i com passa als estanys i rius a l’hivern) i que alentiria el procés d’intercanvi de calor i, per tant en el nostre cas, de congelació de la totalitat del volum del recipient.

Ara que ha entrat una onada de fred al nostre país i sembla que els propers dies (quan ens deixi la nuvolositat que ara mateix ens cobreix i que fa precipitar neu a gairebé totes les cotes) podrem assolir temperatures negatives en superfície a gairebé tot el territori, pot ser un bon moment per experimentar aquest efecte posant 2 vasos amb un mateix volum d’aigua, un a temperatura ambient i l’altre el farem bullir al microones, al pedrís de la finestra de l’habitació. Si més no ens ho podem passar bé generant núvols llençant aigua bullint a l’atmosfera que es trobi sota zero tal i com veiem al següent vídeo (les gotes disperses de la qual ràpidament, ara ja sabem per quin efecte té lloc, passaran a convertirse en cristalls de gel generant el visible núvol):

Bons experiments i bon fred!

Referències:

4 thoughts on “Efecte Mpemba

  1. Jo tenia entès que era principalment per temes de gas dissolt que la cosa anava més ràpida.

    Suposo que de les cada una de les coses d’aplica a diferents rangs de temperatura, temes de convecció per altes temperatures i absència de gas a les més baixes…

    De totes maneres em sorprèn moltíssim la gran quantitat d’experiments que estic veient aquest any d’aigua i fred!

    • Joan, suposo que és l’època de l’any que fa que escrivim sobre aquestes temàtiques tan glaçades… ja arribarà l’estiu on apareixaran entrades sobre la formació d’ones al mar o la disminució de la superfície ocupada pels casquets polars…😉

  2. Hola, Pep,

    he intentat en diverses ocasions provar si l’efecte és o no és, i sempre he topat amb la dificultat de fer un experiment adient. La veritat és que del videoclip que has posat no hi sé apreciar res. Té més sentit la proposta que fas de posar dos gots d’aigua a l’exterior i veure què passa, però jo crec que el problema rau en definir què estem mesurant.

    La determinació del punt de fusió, com bé saps, es fa en condicions summament delicades, amb quantitats molt petites de producte, i envoltats de precaucions. I és la mesura d’una variable ben fàcil -la temperatura- en una transició de fase elemental.

    En canvi l’efecte Mpemba és la mesura d’una cinètica, en uns sistemes que no podem remenar gens, i que a ull nu hauriem de poder-ne apreciar la congelació (tota? parcial?). Per complicar-ho més, la congelació avança des de la pared cap a l’interior, perquè la congelació no és uniforme en tota la massa, sinó que hi ha un perfil de temperatura.

    També crec que ha de ser diferent el comportament dels sistemes si el bany on es porta a terme l’experiment és agitat o no. Per fer mesures comparatives l’agitació del bany hauria de ser considerable, per tal d’evitar perfils de temperatura en el bany i assegurar que hi ha el mateix coeficient de transmissió de calor per convecció extern.
    O, potser el que passa és que no estan clares les condicions amb que en Mpemba va fer l’observació, i les interpretacions dels perquès poden ser múltiples.

    Potser un objectiu interessant seria, canviant-ne l’òptica, intentar dissenyar un experiment per tal de determinar en quines condicions l’efecte existeix…

    Cordialment,

    Claudi Mans

    • Claudi, estic d’acord en què, com a científics experimentals, la millor manera d’estudiar l’efecte ha de ser dissenyar diversos experiments variant les condicions.

      Tota la informació sobre el descobriment que va fer Mpemba l’he trobat més en forma de curiositat que no pas de descobriment científic de manera que les condicions en què es va observar l’efecte no estan descrites. Seria interessant poder accedir a l’article que va presentar el Dr. Osborne de 1969, jo encara no he aconseguit fer-ho de franc, on hi ha d’haver descrita la seva metodologia seguida i les condicions alhora de dur a terme els experiments.

      Moltes gràcies per la teva aportació, Claudi.

      Pep Anton

Deixa un comentari

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

Esteu comentant fent servir el compte WordPress.com. Log Out / Canvia )

Twitter picture

Esteu comentant fent servir el compte Twitter. Log Out / Canvia )

Facebook photo

Esteu comentant fent servir el compte Facebook. Log Out / Canvia )

Google+ photo

Esteu comentant fent servir el compte Google+. Log Out / Canvia )

Connecting to %s