Rivista Quanti

29 giugno 2022

Non è noto se l’acqua calda o fredda congeli più velocemente.

Francis Chee / SPL / Fonte scientifica

Scrittore collaboratore

29 giugno 2022

Sembra uno degli esperimenti più semplici possibili: prendi due tazze d'acqua, una calda e una fredda. Mettili entrambi nel congelatore e nota quale dei due si congela per primo. Il buon senso suggerisce che l’acqua più fredda lo farà. Ma luminari tra cui Aristotele, René Descartes e Sir Francis Bacon hanno tutti osservato che l’acqua calda può effettivamente raffreddarsi più rapidamente. Allo stesso modo, gli idraulici segnalano che i tubi dell’acqua calda scoppiano in condizioni climatiche sotto zero mentre quelli freddi rimangono intatti. Eppure da più di mezzo secolo i fisici discutono se qualcosa del genere sia realmente accaduto.

Il termine moderno per indicare l'acqua calda che congela più velocemente dell'acqua fredda è effetto Mpemba, dal nome di Erasto Mpemba, un adolescente tanzaniano che, insieme al fisico Denis Osborne, ne condusse i primi studi scientifici sistematici negli anni '60. Sebbene siano stati in grado di osservare l’effetto, gli esperimenti di follow-up non sono riusciti a replicare in modo coerente tale risultato. Gli esperimenti di precisione per studiare il congelamento possono essere influenzati da molti dettagli sottili e i ricercatori spesso hanno difficoltà a determinare se hanno tenuto conto di tutte le variabili confondenti.

Negli ultimi anni, mentre continua la controversia sulla possibilità che l’effetto Mpemba si verifichi nell’acqua, il fenomeno è stato individuato in altre sostanze: polimeri cristallini, solidi simili al ghiaccio chiamati clatrati idrati e minerali di manganite che si raffreddano in un campo magnetico. Queste nuove direzioni stanno aiutando i ricercatori a sbirciare nella complicata dinamica dei sistemi che sono fuori equilibrio termodinamico. Un contingente di fisici che modellano sistemi fuori equilibrio ha previsto che l’effetto Mpemba dovrebbe verificarsi in un’ampia varietà di materiali (insieme al suo inverso, in cui una sostanza fredda si riscalda più velocemente di una calda). Recenti esperimenti sembrano confermare queste idee.

Eppure la sostanza più familiare di tutte, l’acqua, si sta rivelando la più scivolosa.

"Un bicchiere d'acqua bloccato in un congelatore sembra semplice", ha detto John Bechhoefer, fisico della Simon Fraser University in Canada, i cui recenti esperimenti sono le osservazioni più solide dell'effetto Mpemba fino ad oggi. "Ma in realtà non è così semplice una volta che inizi a pensarci."

"Mi chiamo Erasto B. Mpemba e vi racconterò della mia scoperta, dovuta all'uso improprio di un frigorifero." Così inizia un articolo del 1969 sulla rivista Physics Education in cui Mpemba descriveva un incidente accaduto alla scuola secondaria di Magamba in Tanzania mentre lui e i suoi compagni di classe stavano preparando il gelato.

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Il defunto Erasto Mpemba ha avviato decenni di ricerca per verificare se l’acqua calda congela più velocemente dell’acqua fredda.

Immagini PA / Alamy Foto Stock

Lo spazio era limitato nel frigorifero degli studenti e, nella fretta di prendere l'ultima vaschetta del ghiaccio disponibile, Mpemba decise di saltare l'attesa che la sua miscela di latte e zucchero bollito si raffreddasse a temperatura ambiente come avevano fatto gli altri studenti. Un'ora e mezza dopo, la sua miscela si era trasformata in gelato, mentre quella dei suoi compagni di classe più pazienti era rimasta una densa poltiglia liquida. Quando Mpemba chiese al suo insegnante di fisica perché ciò fosse accaduto, gli fu risposto: "Eri confuso. Non può succedere".

Più tardi, Osborne venne a visitare la lezione di fisica del liceo di Mpemba. Ha ricordato l'adolescente che alzava la mano e chiedeva: "Se prendi due bicchieri con volumi uguali di acqua, uno a 35°C e l'altro a 100°C, e li metti in un frigorifero, quello che ha iniziato a 100°C prima si congela. Perché?" Incuriosito, Osborne invitò Mpemba all'University College di Dar es Salaam, dove lavorarono con un tecnico e trovarono prove dell'effetto che porta il nome di Mpemba. Tuttavia, Osborne concluse che i test erano rozzi e che sarebbero stati necessari esperimenti più sofisticati per capire cosa potesse succedere.

Nel corso dei decenni, gli scienziati hanno offerto un’ampia varietà di spiegazioni teoriche per spiegare l’effetto Mpemba. L'acqua è una sostanza strana, meno densa quando è solida che liquida, e con fasi solide e liquide che possono coesistere alla stessa temperatura. Alcuni hanno suggerito che il riscaldamento dell’acqua potrebbe distruggere la rete di deboli legami idrogeno polari tra le molecole d’acqua in un campione, aumentandone il disordine, che quindi riduce la quantità di energia necessaria per raffreddare il campione. Una spiegazione più banale è che l’acqua calda evapora più velocemente di quella fredda, diminuendo il suo volume e quindi il tempo necessario per congelare. L’acqua fredda potrebbe anche contenere più gas disciolti, che ne abbassano il punto di congelamento. O forse entrano in gioco fattori esterni: uno strato di brina nel congelatore può fungere da isolante, impedendo al calore di fuoriuscire da una tazza fredda, mentre una tazza calda scioglierà la brina e si raffredderà più velocemente.