Perché l’acqua calda congela prima di quella fredda e come si chiama il fenomeno

Sembra un paradosso, ma non lo è: l’acqua calda ghiaccia prima di quella fredda. Questo straordinario fenomeno, noto come effetto Mpemba, ha affascinato gli scienziati per secoli e continua ad essere oggetto di studio e dibattito.

L’effetto Mbempa

Tutti sappiamo che l’acqua ghiaccia a 0 °C in condizioni normali. Ma quanto impiega? Potremmo pensare che più l’acqua sia calda, più tempo occorra per il congelamento. In realtà non è così: l’acqua calda congela più rapidamente di quella fredda. Questo contrasta con la nostra intuizione comune, secondo cui l’acqua fredda dovrebbe raggiungere più velocemente lo stato solido.

Il fenomeno Mpemba è stato osservato per la prima volta da Erasto Mpemba, allora studente delle scuole media nella città di Magamba, in Tanzania. Nel 1963, durante una attività di cucina a scuola in cui la classe stava preparando delle porzioni di gelato, Mpemba aveva messo il suo composto nel congelatore quando era ancora bollente, mentre i suoi compagni lo avevano lasciato raffreddare a temperatura ambiente: al termine della lezione il suo composto era già congelato, mentre quello dei suoi compagni non lo era ancora.

Incuriosito dalla cosa, il giovane aveva in seguito chiesto spiegazioni del fenomeno al fisico britannico Denis Osborne, docente dell’Università di Dar es Salaam, quando questi era venuto a tenere una lezione nella sua scuola superiore nella città di Iringa. Nonostante l’iniziale perplessità, Osborne aveva replicato l’esperimento, confermando il fenomeno. Successivamente studente e professore pubblicarono insieme nel 1969 un articolo scientifico intitolato ‘Cool?’ sulla rivista Physics Education.

La spiegazione

Da allora numerosi ricercatori si sono dedicati a indagare e spiegare questo curioso evento. Ma su cosa si basa l’effetto Mbempa?
La spiegazione di questo fenomeno risiede nel modo in cui il calore influenza il movimento delle particelle di acqua. Quando l’acqua calda viene raffreddata, le particelle si muovono più rapidamente rispetto a quelle dell’acqua fredda. Ciò influisce sui tassi di evaporazione e sulle correnti di convenzione, accelerando il processo di congelamento.

Gli studiosi hanno osservato che l’effetto Mpemba non è limitato all’acqua, ma si applica anche ad altri composti. Uno studio condotto da un gruppo di ricercatori spagnoli, guidato dal professor André Santos, e pubblicato sulla rivista scientifica specializzata Physical Review Letters, ha dimostrato che tale effetto è sensibile alle condizioni iniziali del fluido: “Il nostro lavoro dimostra che l’esistenza dell’effetto Mpemba è molto sensibile alla preparazione iniziale del fluido o, in altre parole, alla sua precedente storia – hanno spiegato -. L’effetto Mpemba è un fenomeno generico di non equilibrio che appare se l’evoluzione della temperatura dipende da altre grandezze fisiche che caratterizzano lo stato iniziale del sistema”. 

Ciò significa che l’effetto Mpemba potrebbe funzionare anche al contrario, ossia con liquidi freddi che potrebbero scaldarsi molto prima di quelli caldi. Utilizzando fluidi granulari per le loro simulazioni, scelti perché più facili da controllare rispetto all’acqua, i ricercatori hanno dimostrato che le condizioni iniziali svolgono un ruolo cruciale nell’instaurarsi dell’effetto Mpemba.

Sebbene ci siano ancora molti misteri da svelare su questo fenomeno, alcuni aspetti sono stati chiariti. Ad esempio, l’acqua calda evapora più rapidamente dell’acqua fredda in un ambiente di congelamento, riducendo la quantità di liquido da congelare. L’acqua fredda, al contrario, contiene più gas disciolti che abbassano la temperatura di congelamento, rallentando il processo. Inoltre, i movimenti di convezione, che si verificano dal basso verso l’alto e viceversa, sono più intensi nei liquidi caldi e impediscono la formazione di uno strato di ghiaccio sulla superficie. Questo strato di ghiaccio, a sua volta, rallenta il congelamento, creando un’isolazione termica per la parte liquida.

L’effetto Mpemba continua ad affascinare la comunità scientifica e le sue implicazioni vanno oltre la semplice curiosità. Comprendere i meccanismi che stanno alla base di questo fenomeno potrebbe avere applicazioni pratiche in molti settori, come la conservazione dei cibi e il congelamento rapido di materiali sensibili. Nonostante le numerose teorie e ricerche svolte fino ad oggi, l’effetto Mpemba rimane un enigma affascinante, che ci invita a esplorare ulteriormente i segreti dell’acqua e delle sue proprietà.