Curiosidades explicadas pela ciência
O efeito Mpemba: a água quente congela mais rápido?
Em poucas palavras
O efeito Mpemba é a observação de que, em algumas condições, água inicialmente mais quente chega ao congelamento antes de água mais fria. Ele não é uma regra geral: depende do recipiente, do freezer e de como se mede, e alguns experimentos cuidadosos não o encontram. A comunidade científica ainda discute se existe de forma consistente na água e qual seria a causa.
Status do conhecimento: Em pesquisa
Tema cujo mecanismo ou detalhes ainda estão sendo estudados.
Há relatos antigos e recentes de que, em certas condições, um líquido inicialmente mais quente chega ao congelamento antes de um mais frio. Se isso ocorre com a água de forma reproduzível e por qual mecanismo continua em debate, e há trabalhos que não conseguiram reproduzi-lo. Não existe explicação aceita por todos.
Aprofundamento científico
O que se afirma e o que se sabe
A afirmação é contraintuitiva: se duas amostras de água são colocadas no freezer, uma a temperatura mais alta e outra mais baixa, a mais quente às vezes congela primeiro. Em termos físicos, a amostra quente teria que atravessar as temperaturas da outra e ainda ser mais rápida. Isso não é impossível, mas exige algum mecanismo adicional.
O que é bem estabelecido é que, na maior parte dos casos medidos com cuidado, a amostra mais fria congela antes. O que está em disputa é se existem condições reprodutíveis em que isso se inverte e, se existirem, por quê. Isso ainda está em pesquisa.
Explicações propostas
Várias hipóteses foram sugeridas para a água. A evaporação reduziria a massa da amostra quente, que teria menos água a resfriar. Correntes de convecção poderiam fazer a amostra quente perder calor mais depressa pela superfície. Gases dissolvidos, que escapam quando a água é aquecida, poderiam mudar o ponto de congelamento ou a forma como ocorre o início da formação de cristais. Também se discute o papel da superfície de contato com o freezer, onde a amostra quente poderia derreter a geada e melhorar o contato térmico.
Nenhuma dessas explicações é aceita como definitiva. Algumas atuam apenas em situações específicas, e outras não bastam, por si sós, para explicar os relatos. Tudo isso são hipóteses.
O problema de definir 'congelar'
Parte da controvérsia nasce da medição. O líquido pode resfriar abaixo de zero grau Celsius sem virar gelo, fenômeno chamado super-resfriamento, e o momento em que o cristal começa a se formar é em boa parte aleatório. Se uma amostra super-resfria mais que a outra, a ordem de congelamento pode depender mais do acaso do que da temperatura inicial.
Também importa o que se considera como congelado: o primeiro cristal visível, a formação de uma crosta, a solidificação completa, ou a temperatura chegar a um valor fixo. Dependendo do critério, o resultado muda. Um estudo de 2016, de Henry Burridge e Paul Linden, concluiu que, ao medir com mais controle da temperatura e do critério, o efeito não aparecia de forma confiável, o que reforçou a cautela.
Efeitos semelhantes fora da água
Em 2017, Zhiyue Lu e Oren Raz publicaram uma análise teórica mostrando que, em certos sistemas simples que trocam calor com o ambiente, um estado inicialmente mais quente pode se aproximar do equilíbrio mais rápido que um estado mais frio. Em 2020, Avinoam Kumar e John Bechhoefer relataram esse comportamento em um experimento com uma partícula coloidal em uma armadilha de energia.
Esses resultados mostram que o fenômeno, em sentido amplo, é compatível com a física, mas não resolvem o caso da água no freezer, que envolve outros processos. É importante não misturar as duas coisas.
Diagrama
- Duas amostras de águaUma começa mais quente, outra mais fria.
- Vão ao freezerPerdem calor por contato, convecção e evaporação.
- Ocorre super-resfriamentoA água fica abaixo de zero sem virar gelo.
- Nucleação é aleatóriaO primeiro cristal surge em momento imprevisível.
- Ordem de congelamento variaO resultado depende do critério e das condições.
A aleatoriedade na formação do gelo torna difícil provar o efeito.
Tabelas e comparações
| Hipótese | Ideia central | Situação |
|---|---|---|
| Evaporação | A amostra quente perde massa e tem menos água a resfriar | Proposta, efeito limitado |
| Convecção | Correntes aumentam a perda de calor da amostra quente | Proposta, sem consenso |
| Gases dissolvidos | O aquecimento retira gases e muda o comportamento da água | Proposta, sem consenso |
| Super-resfriamento | A ordem depende de quando surge o primeiro cristal | Importante para a medição, não explica tudo |
| Contato com a geada | A amostra quente derrete a geada e aumenta o contato térmico | Proposta, depende do freezer |
| Água no freezer | Sistemas simples em laboratório | |
|---|---|---|
| Controle das condições | Difícil, com muitas variáveis | Alto, com poucos processos envolvidos |
| Evidência | Relatos, com resultados mistos | Modelo teórico e experimento publicados |
| Mecanismo | Em debate | Descrito para casos específicos |
| Situação | Em pesquisa | Demonstrado nessas condições específicas |
Exemplos do cotidiano
- Um experimento caseiro com duas fôrmas de gelo, uma com água quente e outra com água fria, que pode dar resultados diferentes a cada repetição.
- O freezer com muita geada, que pode favorecer o contato térmico de uma fôrma quente e confundir o resultado.
- Uma garrafa de água esquecida no freezer que fica líquida abaixo de zero e vira gelo de repente ao ser movida, ilustrando o super-resfriamento.
- Duas xícaras com volumes ligeiramente diferentes, que alteram o tempo de congelamento mais do que a temperatura inicial.
Conceitos relacionados
- Super-resfriamento
- Estado em que um líquido fica abaixo da temperatura de congelamento sem se solidificar, até que algo inicie a formação de cristais.
- Convecção
- Transporte de calor por movimento do próprio fluido, como a água quente subindo e a fria descendo.
- Nucleação
- Início da formação de um cristal em um líquido. Ocorre de forma em parte aleatória e depende de impurezas e superfícies.
- Reprodutibilidade
- Capacidade de obter o mesmo resultado quando um experimento é repetido nas mesmas condições.
Curiosidades
- O nome vem de Erasto Mpemba, um estudante da Tanzânia que, nos anos 1960, notou o efeito ao fazer sorvete e levou a questão a um físico visitante.
- Mpemba e o físico Denis Osborne publicaram um artigo sobre o assunto em 1969.
- Observações semelhantes foram atribuídas a pensadores muito antigos, mas a interpretação desses textos é incerta.
Contexto histórico
Nos anos 1960, Erasto Mpemba, estudante em uma escola na Tanzânia, percebeu que uma mistura quente para sorvete parecia congelar antes de uma fria. Seus professores duvidaram, mas ele insistiu com um físico visitante, Denis Osborne, e os dois publicaram em 1969 um artigo sobre o assunto.
Desde então, o tema alterna entre relatos de confirmação e trabalhos que não encontram o efeito. Em 2016, a repetição controlada do experimento levantou dúvidas sobre sua existência na água, e, anos depois, modelos teóricos e experimentos com outros sistemas mostraram que um efeito do mesmo tipo pode existir na física em geral.
Em resumo
- O efeito Mpemba é a afirmação de que água mais quente pode congelar antes da mais fria.
- Na maioria das medições cuidadosas, a mais fria congela primeiro.
- Há hipóteses, como evaporação, convecção e super-resfriamento, mas nenhuma é aceita por todos.
- Efeitos parecidos foram demonstrados em outros sistemas, o que não resolve o caso da água.
Fontes
- Cool? — E. B. Mpemba e D. G. Osborne, Physics Education, 1969, Artigo científico
- Questioning the Mpemba effect: hot water does not cool more quickly than cold — H. C. Burridge e P. F. Linden, Scientific Reports, 2016, Artigo científico
- Nonequilibrium thermodynamics of the Markovian Mpemba effect and its inverse — Z. Lu e O. Raz, PNAS, 2017, Artigo científico
- Exponentially faster cooling in a colloidal system — A. Kumar e J. Bechhoefer, Nature, 2020, Artigo científico
Como escolhemos e revisamos fontes: critérios de fontes e revisão científica.
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