Porque el agua caliente puede congelarse más rápido que el agua fría

A veces el agua caliente puede congelarse más rápido que el agua fría. Un nuevo experimento usando pequeñas cuentas de vidrio puede ayudar a explicar por qué», escribe sciencenews.org en referencia a Nature.

Un nuevo estudio ha demostrado que un objeto caliente puede enfriarse más rápido que uno frío. Al enfriarse, el sistema más caliente alcanzó una temperatura más baja en menos tiempo que el sistema más frío.

El experimento se inspiró en los informes del efecto Mpemba, una observación paradójica de que el agua caliente a veces se congela más rápido que la fría. Pero los experimentos que investigaban este fenómeno se confundieron por la complejidad del agua y el proceso de congelación, lo que dificultó la reproducción de los resultados y provocó que los científicos no se pusieran de acuerdo sobre qué es exactamente lo que causa el efecto, cómo determinarlo y si realmente existe.

Para sortear estas complejidades, Avinash Kumar y John Bechofer de la Universidad Simon Fraser en Bernaby, Canadá, usaron pequeñas cuentas de vidrio de 1,5 micrómetros en lugar de agua.

«Esta es la primera vez que se puede afirmar que un experimento es un experimento puro y perfectamente controlado que demuestra este efecto», dice el químico teórico Zhiue Lou de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill.

En el experimento, el balón era el equivalente a una molécula de agua, y las mediciones se hicieron 1000 veces bajo un conjunto determinado de condiciones para producir un conjunto de «moléculas». El láser afectó a cada cuenta, creando un paisaje o potencial de energía. Mientras tanto, la cuenta fue enfriada en un baño de agua. La «temperatura» efectiva de las cuentas de las pruebas combinadas puede obtenerse cruzando el paisaje energético, moviéndose en respuesta a las fuerzas transmitidas por el láser.

Para investigar cómo se enfrió el sistema, los investigadores siguieron los cambios de temperatura en las cuentas a lo largo del tiempo. Inicialmente, eran temperaturas altas o moderadas, y los investigadores midieron el tiempo que tardaban las cuentas en enfriarse a la temperatura del agua. Bajo ciertas condiciones, las cuentas que eran inicialmente más calientes se enfriaron más rápido y a veces exponencialmente más rápido que las cuentas más frías. En un caso, las bolas más calientes se enfriaron en unos dos milisegundos, mientras que las más frías se enfriaron 10 veces más.

Puede parecer razonable suponer que una temperatura inicial más baja proporcionaría un foro insuperable. En una simple carrera de termómetros, un objeto caliente debe alcanzar primero la temperatura inicial de un objeto caliente – parece que una temperatura más alta sólo puede aumentar el tiempo de enfriamiento.

Pero en algunos casos esta simple lógica es errónea, especialmente para los sistemas que no están en un estado de equilibrio térmico (cuando todas las partes han alcanzado la misma temperatura). Para un sistema así, «su comportamiento ya no está determinado sólo por la temperatura», dice Bechofer. El comportamiento de un material es demasiado complejo para ser descrito en un número. A medida que las bolas se enfriaban, no estaban en equilibrio térmico, lo que significaba que sus posiciones en el paisaje energético potencial no estaban distribuidas de tal manera que pudieran ser descritas por una sola temperatura.

Para tales sistemas, en lugar de un camino directo de caliente a frío, puede haber múltiples caminos hacia el frío, reduciendo así los posibles caminos. En el caso de las cuentas, dependiendo de la forma del paisaje, empezar con una temperatura más alta significaba que era más fácil para las cuentas ajustarse a una configuración de temperatura más baja. Esto es similar a cómo un turista puede llegar más rápido a su destino al comenzar más lejos si el punto de partida le permite evitar la difícil escalada de una montaña.

Lou y el físico Oren Raz predijeron previamente que tales caminos cortos de enfriamiento eran posibles. «Es agradable ver que realmente funciona», dice Raz del Instituto de Ciencias Weizmann en Rehovot, Israel. Pero, señala, «no sabemos si funcionará en el agua o no.

Las dificultades con el agua pueden estar relacionadas con las impurezas, la evaporación y la posibilidad de hipotermia, en la que el agua permanece líquida a temperaturas inferiores al punto de congelación normal.

La facilidad de exploración es parte de su belleza», dijo la física teórica Maria Vuchella de la Universidad de Virginia en Charlottesville. «Es uno de los esquemas más simples, y ya es lo suficientemente rico para demostrar este efecto.» Esto sugiere que el efecto Mpemba puede ir más allá de las cuentas de cristal o el agua. «Puedo asumir que este efecto en la naturaleza se manifiesta muy a menudo en otros lugares, es sólo que no hemos prestado atención.