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domenica, Giugno 23, 2024

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Perché l’acqua calda congela prima dell’acqua fredda?

Una delle cose più curiose è che l’acqua calda tende a congelare in meno tempo rispetto a quella fredda. Sembra un’assurdità ma nella struttura molecolare dell’acqua calda, i legami degli atomi di idrogeno tendono a raggrupparsi più rapidamente nella struttura dei cristalli di ghiaccio a temperature più basse. Com’è possibile che l’acqua calda raggiunga uno stato di congelamento più rapidamente?

Scoperta dell’effetto Mpemba

Acqua che bolle
Sebbene personaggi rilevanti come Aristotele, René Descartes o Francis Bacon avessero già parlato di questo fenomeno, nel 1963, uno studente tanzaniano di nome Erasto Mpepba, spiegò al suo insegnante in una classe che la miscela più calda di un gelato congelava più velocemente del gelato freddo.

Il ragazzo osservò questo fenomeno durante un corso di cucina a scuola. Solitamente bollivano il latte mescolato con lo zucchero e, dopo averlo lasciato raffreddare, lo mettevano nel congelatore. Tuttavia, quel giorno il ragazzo era impaziente di mangiare il suo dessert, così mise a congelare direttamente il latte bollente, senza troppa fiducia nel risultato. E quale fu la sua sorpresa nel vedere che, contro ogni previsione, non solo si congelava, ma lo faceva molto più velocemente rispetto a quello dei suoi compagni. Il risultato è stato così sorprendente che il giovane ha deciso di collaborare con un professore di fisica, con il quale ha scritto un articolo sull’effetto congelamento dell’acqua calda che prese il nome da lui.

Dopo la dimostrazione dell’effetto Mpemba, molti scienziati hanno cercato di spiegare la ragione di un fenomeno così particolare. Ci sono diverse teorie e spiegazioni interessanti, ma nessuno è mai riuscito a giungere ad una conclusione definitiva.

Varie teorie dell’effetto Mpemba

Effetto Mpemba
Esperimento con effetto Mpemba: acqua molto calda contenuta in un thermos lanciata in aria in un ambiente molto freddo si è ghiaccia all’istante prima ancora di toccare terra

Da un lato, alcuni ricercatori sostengono che la causa del rapido congelamento dell’acqua calda è perché evapora più velocemente dell’acqua fredda, quindi perde più massa e ha bisogno di meno energia per congelare. Tuttavia, la procedura è stata anche riprodotta in contenitori chiusi, in cui era impossibile che ciò accadesse, quindi a poco a poco questa teoria ha perso forza.

D’altra parte, si pensa che la spiegazione possa essere trovata anche nelle correnti di convezione generate quando l’acqua calda si raffredda; in quanto questi potrebbero favorire una perdita di calore più rapida. Questo potrebbe essere più corretto, ma non è riuscito a essere spiegato o riprodotto in profondità, quindi non è ancora accettato come qualcosa di definitivo.

Un’altra spiegazione per il processo di congelamento dell’acqua calda è stata fatta da un team di ricercatori che hanno pubblicato i loro risultati sul Journal of Chemical Theory and Computation. Secondo il loro studio, la risposta potrebbe trovarsi nei i legami stabiliti tra gli atomi di idrogeno della molecola d’acqua; quelli presenti nell’acqua calda sono molto più deboli, quindi è più facile per loro rompere e favorire la formazione del cristallo di ghiaccio.

Più recentemente invece, un team di ricercatori spagnoli coordinati dal professor André Santos non hanno fatto emergere le cause dell’effetto Mpemba, ma sono giunti alla conclusione che quest’ultimo è determinato dalle variazioni nei movimenti delle particelle, questo discorso è valido anche per altri composti, non solo per l’acqua. I dettagli della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Physical Review Letters.

“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”, ha sottolineato il professore Santos.

Per tanto l’effetto Mpemba potrebbe funzionare anche al contrario, e i liquidi freddi potrebbero riscaldarsi prima di quelli caldi. Santos e colleghi hanno effettuato diversi esperimenti con fluidi granulari (più facili da controllare rispetto all’acqua) determinando che sono proprio le condizioni iniziali del preparato a sviluppare o meno l’effetto Mpemba. Se la preparazione non è fatta in un certo modo, infatti, l’effetto non si presenta.

 

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