Effetto Mpemba

L’effetto Mpemba, è un fenomeno fisico scoperto inizialmente nel IV secolo a.C. grazie ad Aristotele (e riscoperto casualmente nel 1969 dallo studente tanzaniano Erasto Mpemba, da cui il nome), per cui ponendo in un congelatore due bicchieri d’acqua identici tra loro, tranne che per la temperatura iniziale del liquido, il bicchiere contenente acqua calda congela prima di quello contenente acqua a temperatura ambiente o più fredda.

Le condizioni più importanti da rispettare affinché l’effetto Mpemba abbia luogo sono: la costanza della temperatura nel congelatore ed assumere come sola variabile la temperatura dell’acqua riscaldata; si consiglia di provare con diversi valori di temperatura, in quanto si possono verificare diverse condizioni ottimali perché l’effetto abbia luogo, ed altre che invece lo rendano impossibile. Per lo stesso motivo provare anche con recipienti di materiale diversi, chiusi o aperti.

Un team di ricercatori della Nanyang Technological University di Singapore, ha spiegato che l’acqua fredda contiene più gas disciolti di quella calda, e che come noto, la presenza di queste sostanze tende a far abbassare la temperatura alla quale inizia il congelamento, rallentando così il processo. Inoltre, in un liquido caldo i movimenti di convezione interni sono maggiori, e questo impedisce che, all’inizio del congelamento, si formi in superficie uno strato sottile di ghiaccio che, nell’acqua fredda, provoca l’effetto di isolare termicamente la parte ancora liquida, rallentando l’ulteriore congelamento.

Pertanto i ricercatori sostengono che nell’effetto possono intervenire tutti i meccanismi termodinamici che concorrono all’asportazione del calore dal recipiente, ossia: evaporazione, la convezione e la conduzione, senza tralasciare gli effetti dovuti alla presenza di gas in soluzione e certi meccanismi di sovra-raffreddamento.

Ad ogni modo l’effetto Mpemba, ha a che fare con il modo in cui l’energia viene immagazzinata nei legami idrogeno tra le molecole d’acqua. Come tutti sanno, le molecole d’acqua hanno un atomo di ossigeno e due atomi di idrogeno, il tutto tenuto insieme da legami covalenti. Allo stesso tempo gli atomi di idrogeno di una molecola sono attratti dagli atomi di ossigeno delle altre molecole vicine, per mezzo del legame idrogeno, ma nonostante questa attrazione, nel complesso le molecole d’acqua si respingono tra loro ad una certa distanza.

I ricercatori, a tal proposito, hanno notato che siccome la distanza tra le molecole è dipendente dalla temperatura, nell’acqua calda la distanza è maggiore e di conseguenza anche la repulsione, cosa che rende i legami idrogeno ad essere più “tesi” tra loro e quindi tendenti ad immagazzinare più energia. Energia che viene rilasciata più velocemente durante la fase di raffreddamento dell’acqua calda, che ne possiede in misura maggiore rispetto alla stessa quantità di acqua a temperatura ambiente o fredda.

Il rilascio di questa energia tende, dunque, a far riavvicinare le molecole d’acqua ad una velocità in misura proporzionale alla quantità di energia in possesso, quindi più sarà calda l’acqua e maggiore sarà l’energia rilasciata in fase di raffreddamento, con una conseguente maggiore velocità di riavvicinamento e quindi di congelamento.

Spieghiamo inoltre anche il possibile effetto dovuto alla evaporazione: l’acqua calda vaporizza in quantità maggiore di quella fredda, e poiché l’evaporazione asporta molto calore dal liquido, il raffreddamento viene accelerato. Inoltre, diminuisce anche la quantità d’acqua che rimane da congelare. Quest’effetto è molto importante se il contenitore è termicamente isolante, ad esempio di legno, giacché in tal caso la perdita di calore per evaporazione è quella dominante.

Per effetto della conduzione invece: se il contenitore è un buon conduttore termico, il calore viene ceduto all’ambiente esterno soprattutto attraverso le pareti; ciò ostacola la formazione di eventuali strati di brina, che avrebbero l’effetto di ridurre la trasmissione del calore. Alla base, invece, l’acqua calda fa inizialmente fondere la brina presente sul piano del freezer: quando questa poi ricongela, “cementa” il recipiente al piano creando un efficiente contatto per l’efflusso del calore.

Anche la formazione di uno strato di ghiaccio al pelo superiore dell’acqua diminuirebbe la possibilità di raffreddamento della stessa da parte della sovrastante aria fredda. Ma le correnti di convezione interne dell’acqua calda tendono invece a impedire la formazione di tale strato ed inoltre, rimescolando il liquido, favoriscono un più rapido raffreddamento anche in profondità.

Importante può essere anche il ruolo dei gas disciolti nell’acqua (come ossigeno e anidride carbonica) che, come già detto, hanno l’effetto di abbassare il punto criogenico. Nell’acqua calda vi sono pochi gas in soluzione, sia per il fatto che la loro solubilità a caldo è bassa che per il fatto che vengono rilasciati più facilmente, quindi per essa il congelamento avviene a una temperatura un po’ più elevata.

È evidente la necessità di accurati controlli con acqua meticolosamente degassata. Quanto al sovraraffreddamento, infine, si sa che l’acqua può essere portata anche sotto il punto di congelamento senza formare cristalli di ghiaccio: questo avverrebbe in modo meno marcato per l’acqua calda per le ragioni appena dette. Allora l’acqua calda formerebbe il ghiaccio iniziale più rapidamente, eventualmente rimanendo in buona parte liquida all’interno: in tal caso, qualcuno potrebbe obiettare che il congelamento globale potrebbe comunque avvenire prima per l’acqua fredda.

L’intervallo di tempo nel quale coesistono la fase liquida e la fase solida, inizierebbe prima per l’acqua calda ma terminerebbe dopo che l’acqua fredda si è completamente ghiacciata. Resta in ogni caso da definire se ciò che si cerca è l’avvio del congelamento oppure il congelamento complessivo.