Per què l’aigua calenta es congela més ràpidament que l’aigua freda?

 Clic per engrandir. L'efecte Mpemba accepta que l'aigua calenta es congela més
ràpidament que l'aigua freda. Sorprenent. Crèdit: Mstock, Fotolia.

La idea que l’aigua calenta es pugui congelar més ràpidament que l’aigua freda sembla totalment inversemblant. Tot i així, el fenomen s’ha observat moltes vegades. Per tant, podem preguntar-nos legítimament quins són els principis físics que condueixen a aquest resultat.

Sapigueu abans que res que aquest estrany fenomen té un nom. Els científics parlen de l’efecte Mpemba, que porta el nom de l'estudiant tanzanes Erast B. Mpemba que va informar que l’havia experimentat als anys seixanta. Però hi ha proves que l’aigua calenta es congela més ràpidament que l’aigua freda, de manera que aparentment infringeix les lleis de la termodinàmica, fins i tot en els escrits d’Aristòtil. Malgrat això, els científics que hi estan interessats lluiten per establir les condicions experimentals que facin possible desencadenar el fenomen. I, que per tant, lluiten per estudiar-ho seriosament.

Alguns també assenyalen que l'afirmació "l'aigua calenta es congela més ràpidament que l'aigua freda", és prou vaga per donar pas a tot tipus de fantasies. De fet, en funció de la quantitat d'energia dedicada a refredar l'aigua per sota del seu punt de solidificació, pot ser extremadament fàcil concloure que l'efecte Mpemba és real.

 Clic per engrandir. Moltes observacions indiquen que és probable que l’aigua
calenta es congeli més ràpidament que l’aigua freda. Els científics encara
busquen l’explicació. Crèdit: sopradit, Fotolia.

Diverses hipòtesis sobre l'efecte Mpemba

Tot i això, no falten hipòtesis per explicar aquest estrany fenomen. El més senzill seria que la sobtada evaporació del volum d'aigua calenta és la causa d'una reducció en la massa d'aquesta aigua  en comparació amb la d'aigua freda. El que seria suficient per enganyar el seu món. També es va explorar el rastre de la subfusió o supercooling. Aquest fenomen permet que l’aigua romangui líquida per sota dels 0°C. Com que l’aigua calenta és menys sensible a ella, pot semblar que es congela més ràpidament que l’aigua freda. 

El 2012,  la Royal Society of Chemistry (Regne Unit) va llançar un concurs convidant investigadors a considerar seriosament el tema. El guanyador, un doctorand croat, conclou que l’efecte de convecció és l’explicació més plausible de l’efecte Mpemba. Col·loqueu un recipient d’aigua tèbia en un entorn fred i, de fet, crea moviments que transportaran la calor per convecció i refredaran l’aigua més ràpidament. A més, tots els experiments semblen demostrar que l’efecte es cancel·la quan l’aigua s’agita regularment durant el refredament, interrompent els moviments de convecció.

Tot i això, el misteri encara no sembla completament resolt. Com a prova, els científics continuen presentant a vegades hipòtesis una mica exòtiques. I d’altres fins i tot argumenten que l’efecte Mpemba no existeix en absolut. Continuarà...

Clic per engrandir. Efecte Mpemba.

Ho he vist aquí.

Set estranyes propietats de l'aigua

Clic per engrandir. Més lleugers que l'aigua líquida, els glaçons suren
a la superfície. Crèdit: Paviofax, Fotolia.

L’aigua, tan habitual i abundant a la Terra, és tanmateix una substància gairebé única: té propietats físiques i químiques molt sorprenents i es comporta de maneres estrambòtiques. Gel, líquid o vapor d’aigua: descobreix els misteris de l’aigua. 

Creus que ho saps tot sobre la molècula d’H₂O? Tot i això, estudis recents acaben de demostrar que l’aigua líquida pot coexistir en dos estats diferents. No heu vist mai una barra de ferro surar sobre ferro fos? Els glaçons suren sobre l’aigua líquida. En resum, l’aigua està lluny de ser un material qualsevol.

Clic per engrandir.  Líquida, sòlida o gasosa: les sorprenents propietats
químiques i físiques de l’aigua. © PxHere

El gel és menys dens que l’aigua líquida

Tot i que gairebé tots els materials són més densos en estat sòlid que en estat líquid, els icebergs suren a l’oceà i els glaçons suren en un got. Normalment, quan una substància es congela, les seves molècules s’uneixen. Però l’aigua presenta una anomalia: la seva densitat màxima s’assoleix a 4°C i comença a disminuir per sota. Això vol dir que, per al mateix volum, hi ha menys molècules en un cub de gel que en aigua líquida: per tant, és més lleugera.

L’aigua és present a la natura en els seus tres estats: líquid, sòlid, gasós

És fàcil observar gel, aigua líquida i vapor d’aigua a la natura. D’altra banda, és poc probable que trobeu vapor d’or o gel sec (la forma sòlida de diòxid de carboni: CO₂) mentre passegeu per l'exterior. 

Aquesta estranya propietat prové en particular de la temperatura de fusió de l’aigua particularment elevada: l’oxigen només s’evapora per exemple a -183°C, però els enllaços d’hidrogen entre les molècules d’aigua obliguen a proporcionar molta més energia per canviar a l’estat de vapor. 

L’aigua calenta es congela més ràpidament que l’aigua freda

Col·loqueu una safata de glaçons plena d’aigua calenta al congelador i els cubs de gel estaran llestos més ràpidament que amb aigua freda. Aquest curiós fenomen, anomenat "efecte Mpemba", podria tenir diverses explicacions. Podria ser degut a l’evaporació que disminueix la massa d’aigua i consumeix calor, cosa que afavoreix el seu refredament. L’aigua calenta també seria menys sensible a l’efecte de refredament  que permet que un líquid es mantingui sòlid fins i tot quan la seva temperatura hagi caigut per sota del seu llindar de solidificació. Altres hipòtesis es basen en les transferències de calor (els corrents de convecció serien majors en aigua calenta) o la modificació d'enllaços químics entre les molècules d’aigua (estrenyiment dels enllaços covalents entre els àtoms d’oxigen i hidrogen).

Hi ha dues formes d’aigua líquida

Darrerament, diversos estudis han suggerit que l’aigua líquida conviu en realitat en dues formes: una de baixa densitat, en què les molècules formen nombrosos enllaços d’hidrogen amb els seus veïns, cosa que les manté allunyades les unes de les altres, i una altra d’alta densitat, on les molècules “s’amunteguen” les unes amb les altres i per tant, es poden unir. Tot i que és relativament comú trobar diverses formes de sòlids per al mateix material, és molt més rar per a un líquid. L'únic cas conegut fins ara és l'heli, la forma líquida de l'heli II pot arrossegar-se per les superfícies. 

Clic per engrandir. L’aigua líquida pot coexistir en dues formes de densitat diferents,
cosa que explicaria les seves estranyes propietats. © Céline Deluzarche, Futura, després
de New Scientist.Infografia en català: Sci-Bit

L’aigua és un excel·lent dissolvent

Només heu de veure com es desfà un tros de sucre al cafè o la sal en pols a la cassola per adonar-se’n: l’aigua és un excel·lent dissolvent. Per contra, és impossible dissoldre sal en oli o petroli: es mantindrà sòlida al fons del recipient. Aquesta capacitat de dissolució s’explica per la naturalesa polar de l’aigua que tendeix a atraure molècules iòniques (amb ions carregats positivament o negativament). Quan, per exemple, es posa sal (NaCl) a l’aigua, les molècules d’aigua dissociaran els ions clorur i els ions sodi; es forma una solució aquosa Na + + Cl-. De la mateixa manera, l'aigua dissol fàcilment altres molècules polars com els sucres o l'etanol.

 

 Clic per engrandir. Les molècules d'aigua (H₂O) "ataquen" les molècules de clorur de sodi
(NaCl) i les seves molècules s'uneixen amb ions Na + i Cl-. Crèdit: OpenStax Anatomia i Fisiologia 

L’aigua pot ser líquida i sòlida

Recentment, els investigadors van demostrar l'existència d'"aigua superiónica", una aigua sòlida i semi-líquida que es converteix en conductora com un metall. En condicions de pressió i temperatura molt altes, els enllaços d’hidrogen són destruïts, deixant que els ions d’hidrogen circulin lliurement a la xarxa cristal·lina dels àtoms d’oxigen, que romanen organitzats com si estiguessin “congelats”. L’aigua també es pot trobar en forma super refredada, on roman líquida fins a temperatures de -48°C abans de congelar-se sobtadament en contacte amb una altra superfície.

L’aigua es redueix a mesura que es fon

La gran majoria de substàncies ocupen més espai en estat líquid, quan les molècules estan desordenades, que en estat sòlid, on les molècules tenen una estructura organitzada. L’aigua és un cas especial: ocupa un 10% més de volum quan es congela. Aquesta curiositat anomenada "anomalia dilatomètrica" s'explica per l'estructura particular de la molècula d'aigua, on els enllaços d'hidrogen es munten en una xarxa hexagonal, deixant molt espai entre les molècules. 

 

Ho he vist aquí.