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Tutti sappiamo che l'acqua ghiaccia a 0 °C in condizioni normali. Ma quanto ci mette? Potremmo pensare che più l'acqua sia calda, più tempo occorra per il congelamento. In realtà apparentemente non è così: l'acqua calda congela più rapidamente di quella fredda. Questo fenomeno totalmente controintuivo è noto come effetto Mpemba. Sebbene fosse stato descritto già da Aristotele, e sia replicabile anche in casa o all'aperto in una fredda giornata invernale, il suo studio in termini scientifici è cominciato solo nel 1969. Da allora, però, nonostante gli sforzi non abbiamo ancora una spiegazione definitiva per questo strano fenomeno. La storia di questo mistero fisico comincia con un ragazzino delle medie in Tanzania intento a preparare del gelato. Vediamola insieme e passiamo in rassegna le ipotesi in voga per spiegare questo strano fenomeno.
La scoperta dell'effetto Mpemba
L'effetto Mpemba prende il nome dalle osservazioni di Erasto Mpemba, allora studente delle scuole media nella città di Magamba, in Tanzania. Nel 1963, durante una attività di cucina a scuola in cui la classe stava preparando delle porzioni di gelato, Mpemba aveva messo il suo composto nel congelatore quando era ancora bollente, mentre i suoi compagni lo avevano lasciato raffreddare a temperatura ambiente: al termine della lezione il suo composto era già congelato, mentre quello dei suoi compagni non lo era ancora.
Colpito dalla cosa, Mpemba aveva in seguito chiesto spiegazioni del fenomeno al fisico britannico Denis Osborne, docente dell'Università di Dar es Salaam, quando questi era venuto a tenere una lezione nella sua scuola superiore nella città di Iringa. Nonostante l'iniziale perplessità, Osborne aveva replicato l'esperimento, confermando il fenomeno. Successivamente studente e professore pubblicarono insieme nel 1969 un articolo scientifico intitolato Cool? sulla rivista Physics Education.
Una considerazione da fare è che, anche se fino all'articolo di Mpemba e Osborne nessuno lo aveva mai studiato in maniera sistematica, il fenomeno era già stato notato fin dall'antichità. Ne parlarono, per esempio, Aristotele nel suo trattato Meteorologica, ma anche il filosofo naturale Francis Bacon e il filosofo Cartesio. Si tratta quindi di un fenomeno noto da tempo, anche se fino a pochi anni fa le spiegazioni erano di natura non scientifica.
Dalla pubblicazione dell'articolo del 1969, molti fisici hanno dibattuto se questo effetto sia reale oppure dovuto a errori sperimentali. Ma anche quelli che sono convinti della sua esistenza sono ancora alla ricerca della spiegazione di questo fenomeno apparentemente controintuitivo. Negli anni sono stati identificate alcune ipotesi, ma nessuna è stata finora considerata completamente soddisfacente in tutte le situazioni.
Perché l’acqua calda ghiaccia prima di quella fredda: le possibili spiegazioni
Anche se può sembrare un fenomeno semplice, il congelamento – e in generale tutti i passaggi di stato – è molto complesso se analizzato su scala molecolare. Molti scienziati hanno cercato di dare una spiegazione possibile all'effetto Mpemba, e le ipotesi spaziano da quelle più banali a quelle più complesse.
Evaporazione
La spiegazione più semplice è quella dell'evaporazione: l'acqua calda evapora velocemente, riducendo la quantità d'acqua nel contenitore e di conseguenza quanto tempo impiega a congelare.
Trasferimento di calore
L'evaporazione è un processo che rimuove calore dalla massa d'acqua, diminuendo così il tempo necessario per il congelamento
Convezione
L'acqua calda presenta al suo interno delle correnti convettive più veloci, che migliorano lo scambio di calore con l'esterno e riducendo così il tempo di congelamento.
Dispersione dei nuclei di congelamento
Un alto tasso di convezione potrebbe anche disperdere in maniera più uniforme i nuclei di congelamento intorno ai quali si solidifica l'acqua, favorendo un congelamento più veloce.
Isolamento termico
Sempre a causa delle correnti convettive, nell'acqua calda è meno probabile che si formi uno strato gelato sulla superficie, isolando termicamente il resto della massa d'acqua.
Liberazione dei gas disciolti e precipitazione dei soluti
Riscaldare l'acqua può indurre la liberazione dei gas disciolti o la precipitazione dei soluti all'interno del liquido, riducendo i nuclei di congelamento e quindi facendo sì che l'acqua congeli prima.
Sopraffusione
Il fenomeno della sopraffusione avviene quando un liquido si trova a una temperatura inferiore a quella di congelamento ma non riesce a effettuare il passaggio di stato, per esempio per l'assenza di nuclei di congelamento, o per la difficoltà di far orientare correttamente le molecole affinché si integrino nella struttura cristallina del solido: questo rallenta la velocità di congelamento di un liquido. L'acqua calda, grazie alle correnti convettive e alla minore presenza di impurità, è meno soggetta al fenomeno della sopraffusione, e quindi congela più velocemente.
Legami a idrogeno
L'ultima ipotesi, e la più complessa, ha a che fare con i legami a idrogeno che si formano all'interno dell'acqua liquida: legami più blandi di quelli che legano gli atomi all'interno delle molecole e le molecole all'interno dei solidi, ma abbastanza forti da dare all'acqua le sue peculiari caratteristiche chimico-fisiche (temperatura di fusione, temperatura di ebollizione, viscosità, tensione superficiale). La presenza e la forza dei legami a idrogeno cambia a seconda della temperatura, e può essere una ragione per cui l'acqua calda congela più velocemente.
L'importanza di guardare con gli occhi della scienza
Anche se fino ad oggi non è stata trovata una spiegazione completa del fenomeno che soddisfi completamente tutte le situazioni, l'effetto Mpemba è la dimostrazione come la scienza sia preziosa e affascinante in anche nella vita di tutti i giorni, e come guardare alla realtà attraverso gli occhi della scienza ci mostri sempre stranezze e curiosità che aspettano solo di essere scoperte.
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