El extraño efecto Mpemba: por qué el agua caliente se congela antes que la fría

El agua caliente puede congelarse antes que el agua fría, en ciertas condiciones: es el efecto Mpemba, ya observado en la antigüedad por Aristóteles. Sin embargo, fue un adolescente de Tanzania quien redescubrió en 1963 este curioso fenómeno. Aunque parezca imposible, una investigación prueba que el efecto Mpemba es real.

El efecto Mpemba parece ir en contra de nuestra intuición y de todas las suposiciones basadas en las leyes de la termodinámica sobre el comportamiento de la materia y el calor.

Aunque registrado desde la antigüedad, este fenómeno es discutido en el ámbito científico, y no hay consenso sobre el mecanismo que lo explica. No obstante, el efecto Mpemba es real, según pudieron comprobar Avinash Kumar y John Bechhoefer, científicos del departamento de Física de la universidad Simon Fraser en Columbia Británica, Canadá.

A criterio de los investigadores, el estudio, publicado en la revista Nature, probó que el efecto Mpemba es mucho más que una simple curiosidad sobre el extraño comportamiento del agua al congelarse. Demostraron que, bajo ciertos parámetros controlados, un sistema con alta temperatura puede enfriarse antes que otro más frío.

Qué es el efecto Mpemba: la anécdota del helado

Este particular y contraintuitivo fenómeno debe su nombre al tanzano Erasto Mpemba. Descubrió este efecto por accidente en 1963, mientras preparaba helado en la escuela secundaria a la que asistía, según reveló en un artículo de 1969 para la revista sobre enseñanza de las ciencias físicas Physics Education.

Para hacer helado, hervían leche, le agregaban azúcar, y la dejaban enfriar a temperatura ambiente. Luego ponían la mezcla en cubiteras a congelar en el refrigerador.

En una de esas ocasiones, Mpemba estaba hirviendo la leche para preparar helado. Un compañero se disponía a hacer lo mismo, pero cuando vio a Mpemba, para asegurarse una cubitera en el refrigerador, prefirió hacer la mezcla con leche fría y ponerla directamente a congelar.

Mpemba tampoco quería perder el tiempo, así que decidió congelar la leche caliente sin esperar a que se enfriase. "El otro chico y yo volvimos una hora y media más tarde y nos encontramos con que mi cubitera con leche se había hecho helado, mientras que la otra estaba todavía líquida, apenas con una capa delgada, pero sin congelarse aún", escribió.

Cuando Mpemba le preguntó a su profesor de física por qué había ocurrido ese extraño fenómeno, el docente le respondió que no era posible: "Estás confundido", le dijo.

Sin embargo, luego supo Mpemba de vendedores callejeros que para preparar helado con más rapidez colocaban leche caliente a congelar. A medias conforme, Mpemba puso su curiosidad en reposo.

Unos años más tarde, a punto de terminar el bachillerato en otra escuela, Mpemba planteó la misma interrogante a su nuevo profesor de física, quien también se mostró incrédulo ante la experiencia referida por el estudiante. Para el docente lo relatado solo era posible según la "física de Mpemba, pero no para la física universal".

Mpemba no se rindió y decidió hacer una nueva prueba en el laboratorio poniendo a refrigerar un matraz con agua recién hervida y otro con agua natural del grifo. Una vez más, el líquido de mayor temperatura se congeló primero. Hasta se buscó testigos para que lo tomaran en serio.

Finalmente, Denis Osborne, un profesor invitado a la escuela, fue quien escuchó la experiencia del joven y, aun con reparos, decidió realizar el experimento por su cuenta para echar luz sobre el asunto. Es claro, pudo comprobar empíricamente que las observaciones de Erasto Mpemba eran ciertas.

Sin embargo, el adolescente de Tanzania no fue el primero en registrar este fenómeno. Los científicos Kumar y Bechhoefer informan que Aristóteles en su tratado sobre meteorología ya advertía este curioso efecto:

"Contribuye también a la rapidez de la congelación el (hecho de) que el agua se haya calentado previamente: porque (entonces) se enfría más rápidamente. Por eso muchos, cuando quieren enfriar agua rápidamente, la ponen primero al sol, y los (que viven) en torno al Ponto, cuando acampan sobre el hielo para capturar peces (pues los capturan perforando el hielo), vierten agua caliente sobre las cañas para que se hiele más rápido: usan, en efecto, el hielo como soldadura, para que las cañas queden fijas", escribió el pensador y científico griego en algún momento del siglo IV a. C.

"El efecto se llama así por el tanzano Erasto Mpemba. Lo describió en 1963 en clases de cocina en tercer grado de la escuela secundaria Magamba, entonces Tanganica [actual Tanzania], al congelar una mezcla de helado aún caliente y notar que se congeló antes que la mezcla fría".

El efecto Mpemba es real

Kumar y Bechhoefer pretendían observar cómo se produce el efecto Mpemba en determinadas circunstancias controladas. Frente a la falta de consenso científico sobre cómo ocurre este fenómeno en el agua y que esta anomalía ya había sido registrada en otras sustancias en sistemas con transiciones de fase (de líquido a sólido), los investigadores buscaron un sistema nuevo para estudiar el efecto.

En lugar del agua, los científicos utilizaron esferas de vidrio. Tampoco estudiaron el fenómeno de congelación, sino de enfriamiento. Estas sustituciones responden a la necesidad de eliminar la evaporación o la convección natural como factores determinantes en el efecto Mpemba.

La temperatura de las esferas de vidrio era afectada mediante la aplicación de láser al tiempo que las enfriaban en agua para medir el tiempo que demoraban en alcanzar el equilibrio térmico, es decir, que las esferas y el agua estuvieran a la misma temperatura.

Realizaron estas pruebas más de 1.000 veces, con variaciones en las condiciones de los ensayos. Según se daban estas variaciones, en muchos casos se manifestó el efecto Mpemba: esferas a mayor temperatura se enfriaron antes que otras esferas más frías en comparación.

La investigación fue bien recibida por otros científicos. "Esta es la primera vez que un experimento puede considerarse limpio y perfectamente controlado que demuestra este efecto", dijo a Science News el químico teórico Zhiyue Lu de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill.

En cuanto a la relevancia del estudio, los científicos estimaron sus potenciales efectos. Los resultados ofrecen nuevas perspectivas sobre esta "anomalía" térmica, que "no es única de un sistema hielo-agua", y que puede ser emulada en otros sistemas donde haya cambios de fases para el desarrollo soluciones tecnológicas.

"La relajación térmica y la eliminación del calor aún son importantes desafíos tecnológicos. Por ejemplo, limitan el rendimiento de los microprocesadores y otros circuitos integrados. La ingeniería con efectos similares a Mpemba en materiales tecnológicamente relevantes podría ofrecer nuevas e importantes estrategias para eliminar el calor de fuentes localizadas con rapidez", concluyeron.