Devo ammettere che il mio precedente articolo sull’Effetto Mpemba ha riscosso un certo successo (più di quanto sperassi) e tante persone hanno iniziato a chiedermi “ok figo, ma come è possibile che l’acqua bollente ghiacci più velocemente dell’acqua fredda?”
Ragazzi, non ne ho la più pallida idea. (but thanks for asking!)
In compenso, ci sono fior fior di scienziati che da 50 anni si arrovellano per dare una spiegazione quanto più accurata e scientifica al fenomeno. Per cui, pur non avendo il livello di competenze per esprimere una mia opinione in merito, ho deciso di fare una panoramica delle tesi più quotate in ambiente scientifico.
AGGIORNAMENTO: è stata individuata una valida spiegazione scientifica al fenomeno! continua a leggere.
Fattori che potrebbero determinare l’effetto Mpemba
Osborne osservò che in un baker di acqua che veniva raffreddata la parte superiore era più calda del fondo, suggerendo il fenomeno della convezione. Bloccando il trasferimento termico con uno strato d’olio sulla superficie il raffreddamento si è visto drasticamente rallentato. E’ stato anche considerato l’effetto di aria dissolto usando acqua opportunamente bollita. I beakers sono inoltre stati isolati dal fondo.
A prima vista il comportamento sembra contrario allle leggi della termodinamica. Molte teorie fisiche standard contribuiscono al fenomeno, sebbene nessuna di queste spiegazioni sia di per se conclusiva.
Diversi effetti possono contribuire alla sua osservazione, in base al setup dell’esperimento:
Convezione che accelera il trasferimento termico. La riduzione della densità dell’acqua sotto i 4 °C (39 °F) tende a sopprimere le correnti convettive che raffreddano la parte inferiore della massa liquida: “the lower density of hot water would reduce this effect, perhaps sustaining the more rapid initial cooling. Higher convection in the warmer water may also spread ice crystals around faster“.
Brina dagli effetti isolanti. L’acqua a temperatura inferiore tenderà a ghiacciarsi dall’alto verso il basso, riducendo ulteriormente la perdita di calore per radiazione e convezione dell’aria, mentre l’acqua più calda tenderà a ghiacciare dal fondo e dalle pareti per via della convezione dell’acqua. La cosa è controversa, dato che sono stati fatti esperimenti che prendevano in considerazione queso fattore.
Sopraffusione: è l’ipotesi secondo cui l’acqua fredda, quando messa in un ambiente ghiacciato, raffredda molto più dell’acqua calda dello stesso ambiente, perciò solidifica più lentamente dell’acqua calda. Tuttavia, la sopraffusione tende ad essere meno significativa dove ci sono particelle che fungono da nuclei per i cristalli di ghiaccio.
Soluti: Gli effetti di calcio e carbonato di magnesio più di tutti.
Conducibilità termica: The container of hotter liquid may melt through a layer of frost that is acting as an insulator under the container (la brina è isolante, come già indicato precedentemente), permettendo al contenitore di venire in contatto diretto con uno strato inferiore molto più freddo su cui s’è formata la brina (es. ghiaccio). Il contenitore così si trova su una superficie più fredda (o una migliore nel sottrarre calore) dell’acqua inizialmente più fredda e pertanto raffredda molto più velocemente da questo momento in poi.
L’effetto del riscaldamento sui gas dissolti; anche se questo aspetto era già stato preso in considerazione durante lo studio originale, usando acqua bollita.
Calore latente e condensa: Durante la fase di raffreddamento il contenitore più freddo raccoglie più condensa del contenitore caldo e questo riduce la velocità di raffreddamento.
Per i più curiosi, ho anche recuperato il paper originale scritto da Erasto Mpemba e David Osborne nel 1969:
Cool? by Erasto Mpemba and David Osborne, 1969
Per voi non è abbastanza? beh, si da il caso che nell’Estate 2012 appena trascorsa è stata messa in palio la cifra di 1000£ a chi avesse saputo fornire la spiegazione più convincente.
In pochi mesi sono state raccolte oltre 22.000 interpretazioni del fenomeno!
Al momento in cui scrivo è in corso la votazione dei contributi, per cui dovremo aspettare ancora qualche tempo prima di avere una risposta semi-ufficiale al grande quesito!
Ecco la spiegazione ufficiale
Nikola Bregovic
Il 10 gennaio 2013 è stato finalmente annunciato il contributo scientifico più significativo per quanto riguarda la spiegazione dell’effetto Mpemba.
Dobbiamo dunque complimentarci con Nikola Bregovic, ricercatore al Laboratory of Physical Chemistry del dipartimento di Chimica dell’Università di Zagabria.
Potete ammirare il nostro eroe nell’immagine a lato.
Queste, in breve, le sue conclusioni:
L’affermazione di J. D. Brownridge, “Hot water will freeze before cooler water only when the cooler water supercools, and then, only if the nucleation temperature of the cooler water is several degrees lower than that of the hot water. Heating water may lower, raise or not change the spontaneous freezing temperature,” riassume in gran parte le conclusioni che possono essere tratte da praticamente qualunque dato raccolto da me e altri in precedenza. Comunque, l’effetto di convezione, che aumenta la probabilità di far ghiacciare prima l’acqua calda, dovrebbe essere enfatizzato per esprimere una spiegazione più completa dell’effetto.
Il fatto che questo effetto non fosse ad oggi completamente chiarito, mi ha suggerito che ci sono problemi fondamentali sottesi, ma tuttavia non mi aspetto che l’acqua possa comportarsi in questo modo in quelle condizioni. Ancora una volta questa piccola semplice molecola ci stupisce e intriga con la sua magia.
Per conoscere la ricerca che ha portato a queste conclusioni potete leggere il paper di Nikola Bregovic.