Revista Quanta

29 de junho de 2022

Ainda não se sabe se a água quente ou fria congela mais rápido.

Francis Chee / SPL / Fonte da Ciência

Escritor Colaborador

29 de junho de 2022

Parece um dos experimentos mais fáceis possíveis: pegue dois copos de água, um quente e outro frio. Coloque os dois no congelador e observe qual congela primeiro. O senso comum sugere que a água mais fria sim. Mas luminares como Aristóteles, René Descartes e Sir Francis Bacon observaram que a água quente pode realmente esfriar mais rapidamente. Da mesma forma, os encanadores relatam que os canos de água quente estouram em climas abaixo de zero, enquanto os de água fria permanecem intactos. No entanto, por mais de meio século, os físicos têm discutido se algo assim realmente ocorre.

O termo moderno para água quente congelando mais rápido do que água fria é o efeito Mpemba, em homenagem a Erasto Mpemba, um adolescente tanzaniano que, junto com o físico Denis Osborne, conduziu os primeiros estudos científicos sistemáticos sobre ele na década de 1960. Enquanto eles foram capazes de observar o efeito, os experimentos de acompanhamento falharam em replicar consistentemente esse resultado. Experimentos de precisão para investigar o congelamento podem ser influenciados por muitos detalhes sutis, e os pesquisadores geralmente têm problemas para determinar se contabilizaram todas as variáveis ​​confusas.

Nos últimos anos, enquanto continua a controvérsia sobre se o efeito Mpemba ocorre na água, o fenômeno foi detectado em outras substâncias – polímeros cristalinos, sólidos semelhantes ao gelo chamados hidratos de clatrato e minerais de manganita resfriando em um campo magnético. Essas novas direções estão ajudando os pesquisadores a espiar a complicada dinâmica de sistemas que estão fora do equilíbrio termodinâmico. Um contingente de físicos modelando sistemas fora de equilíbrio previu que o efeito Mpemba deve ocorrer em uma ampla variedade de materiais (junto com seu inverso, no qual uma substância fria se aquece mais rapidamente do que uma quente). Experimentos recentes parecem confirmar essas ideias.

No entanto, a substância mais familiar de todas, a água, está se mostrando a mais escorregadia.

"Um copo d'água preso em um freezer parece simples", disse John Bechhoefer, físico da Universidade Simon Fraser, no Canadá, cujos experimentos recentes são as observações mais sólidas do efeito Mpemba até hoje. "Mas na verdade não é tão simples quando você começa a pensar nisso."

"Chamo-me Erasto B. Mpemba e vou contar-vos a minha descoberta, que se deveu ao mau uso de um frigorífico." Assim começa um artigo de 1969 na revista Physics Education, no qual Mpemba descreveu um incidente na Escola Secundária de Magamba, na Tanzânia, quando ele e seus colegas estavam fazendo sorvete.

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O falecido Erasto Mpemba iniciou décadas de pesquisa para saber se a água quente congela mais rápido que a água fria.

PA Images / Alamy Stock Photo

O espaço era limitado na geladeira dos alunos e, na pressa de pegar a última bandeja de gelo disponível, Mpemba optou por não esperar que sua mistura de leite fervido e açúcar esfriasse até a temperatura ambiente, como os outros alunos haviam feito. Uma hora e meia depois, sua mistura havia congelado em sorvete, enquanto a de seus colegas mais pacientes permanecia uma pasta líquida espessa. Quando Mpemba perguntou a seu professor de física por que isso acontecia, ele disse: "Você estava confuso. Isso não pode acontecer."

Mais tarde, Osborne veio visitar a aula de física do colégio de Mpemba. Ele se lembra do adolescente levantando a mão e perguntando: "Se você pegar dois copos com volumes iguais de água, um a 35°C e outro a 100°C, e colocá-los na geladeira, aquele que começou a 100°C congela primeiro. Por quê? Intrigado, Osborne convidou Mpemba para o University College em Dar es Salaam, onde trabalharam com um técnico e encontraram evidências do efeito que leva o nome de Mpemba. Ainda assim, Osborne concluiu que os testes eram rudimentares e experimentos mais sofisticados seriam necessários para descobrir o que poderia estar acontecendo.

Ao longo das décadas, os cientistas ofereceram uma ampla variedade de explicações teóricas para explicar o efeito Mpemba. A água é uma substância estranha, menos densa quando sólida do que líquida, e com fases sólida e líquida que podem coexistir na mesma temperatura. Alguns sugeriram que o aquecimento da água pode destruir a rede frouxa de ligações fracas de hidrogênio polar entre as moléculas de água em uma amostra, aumentando sua desordem, o que diminui a quantidade de energia necessária para resfriar a amostra. Uma explicação mais mundana é que a água quente evapora mais rápido que a fria, diminuindo seu volume e, portanto, o tempo que leva para congelar. A água fria também pode conter mais gases dissolvidos, o que diminui seu ponto de congelamento. Ou talvez fatores externos entrem em jogo: uma camada de gelo em um freezer pode atuar como um isolante, evitando que o calor vaze de um copo frio, enquanto um copo quente derreterá o gelo e esfriará mais rapidamente.