El misterio de la congelación del agua caliente

Vamos a intentar resolver un misterio que se está produciendo en la cocina. Para ello vamos a necesitar varios elementos típicos de éste lugar tan central en nuestra casa. Primeramente necesitaremos agua, luego algo para calentarla y algo para enfriarla.

El misterio trata sobre un efecto que escuché hace tiempo que decía que el agua caliente se congela más deprisa que la fría. A pesar de que es un efecto que choca contra nuestra lógica, me lo creí, por una parte porque no tenía por qué desconfiar de la fuente donde lo escuché y por otro, porque la física tiene cosas que la lógica habitual no entiende. No obstante mi vocecilla de científico amateur me decía que tenía que probarlo. Así que manos a la obra. He sacado mi kit de ciencia casera y me he puesto a hacer ensayos.

Lo primero ha sido tomar dos vasos de agua, una con la temperatura fría del grifo, y otra que la he calentado en el microondas. Les he colocado unos sensores de temperatura, he montado y he programado mi arduino y lo he conectado con el ordenador para que me vaya tomando la temperatura de cada tazón cada segundo. He metido los recipientes con los sensores conectados en el congelador… y a esperar.

Nota: Si quieres saber cómo conectar y calibrar un sensor de temperatura con Arduino, puedes ver esta entrada.

Mientra esperamos los resultados os cuento que este efecto es conocido desde antiguo y tiene nombre se trata del efecto Mpemba en honor a Erasto Mpemba que fue quien realizó la primera publicación seria sobre el tema en 1969.

Nuestra lógica nos indica que si tienes dos vasos de agua, una fría y otra caliente, y los metemos al congelador el que tiene la temperatura más fría llegará antes a congelarse, ya que el que esté caliente deberá primeramente alcanzar la temperatura del vaso frío y por lo tanto está en desventaja ante la carrera. Podemos asumir diferentes explicaciones del proceso que se han dado en el tiempo..

• El aumento de la convección en el agua caliente.
• Que el agua caliente se evapora más y por lo tanto al final hay que congelar menos cantidad de agua.
• Que en el agua fría se forma una capa de escarcha que lo aísla.
• Que diversas concentraciones de solutos se eliminan al calentarse y por tanto el índice de congelación es menor.

Ha habido varias explicaciones sobre este efecto publicadas en diferentes medios, dando diversas explicaciones referentes a la temperatura de nucleación del agua caliente y la fría, de forma que la caliente lo alcanzara antes. Una de las últimas publicaciones explica el proceso haciendo referencia a las desviaciones promedio o curtosis entre las diferentes partículas de agua, que sería diferente entre las muestras con el agua caliente y fría.

Siguiendo con nuestro experimento:

Una vez pasado el tiempo, recogidos y tratados los datos he obtenido la siguiente gráfica.

El tramo más horizontal de la gráfica corresponde con el tiempo en el que el agua comienza a congelarse. La congelación es un proceso exotérmico, así que durante este periodo, el sistema está expulsando calor por lo que la temperatura se mantiene. Una vez congelada toda el agua, vuelve a bajar la temperatura. Cómo se puede comprobar, el agua caliente se ha terminado de congelar más tarde de lo que lo ha hecho el agua fría. Por lo tanto no se ha cumplido el supuesto planteado.

¿Esto quiere decir que el efecto Mpemba no existe?. No, lo que quiere decir es que en las condiciones de mi experimento no se ha producido. Tal vez ha sido debido al tipo de agua que he utilizado (era del grifo), a que la sonda que he utilizado era bastante grande y a partir de ahí se ha producido la nucleación, a que los recipientes no eran los idóneos o a que las temperaturas de partida no eran las adecuadas para que el efecto se llegara a producir.

Con todo esto, no lo podemos considerar un experimento fallido. Hemos sacado una conclusión y al menos también me ha servido para hacer un poco de ciencia doméstica. Pero esto no acaba aquí. Seguiré probando con otras condiciones a ver si en algún momento consigo un experimento en el que se cumpla este efecto.

Mientras tanto, confiaremos en los datos recogidos por otros estudios en los que sí se ha comprobado su existencia: ‘When the Hotter Cools More Quickly: Mpemba Effect in Granular Fluids’.