Principais conclusões

• O efeito Mpemba sugere que a água quente pode congelar mais rápido do que a água fria sob certas condições, um fenômeno observado pela primeira vez por Aristóteles.
• Erasto B. Mpemba, um estudante tanzaniano, redescobriu esse efeito em 1963 enquanto fazia sorvete, fornecendo o primeiro exemplo documentado que levou a novas investigações científicas.
• Embora ainda debatido entre os cientistas, estudos recentes sugerem que o efeito Mpemba pode ocorrer devido a diferenças na forma como a água quente e fria atingem o equilíbrio térmico.

Durante séculos, cientistas observadores, de Aristóteles a Descartes, alimentaram a suspeita de que – contrariamente a toda a sabedoria convencional – a água quente pode, de alguma forma, congelar mais rapidamente do que a água fria. Mas não houve consenso científico de que esta conjectura fosse realmente verdadeira.

Em 1963, um estudante de física da Tanzânia chamado Erasto B. Mpemba (pronuncia-pem -ba) reacendeu a ideia por meio de um acidente que ocorreu quando ele estava fazendo sorvete em sua escola. Ele parecia provar o que Aristóteles e Descartes suspeitavam:a água quente atinge o ponto de congelamento mais rápido do que a água fria. Ele escreveu sobre suas observações em um artigo de 1969, intitulado simplesmente "Legal?" o que deu origem ao termo “efeito Mpemba”. Mas será que Erasto Mpemba estava certo? A água quente congela realmente mais rápido do que a água fria?




Conteúdo

1. O que é o efeito Mpemba?
2. Compreendendo o processo de congelamento
3. Como a água quente pode congelar mais rápido que a água fria?
4. O estudo que pode comprovar o efeito Mpemba
5. O efeito Mpemba é um fato científico comprovado?
6. O efeito Mpemba no contexto

Qual é o efeito Mpemba?

O efeito Mpemba é um conceito de física que postula que quando água quente e água fria são colocadas no mesmo ambiente de congelamento, a água quente congelará mais rápido do que a água fria.

Erasto Mpemba observou que quando a sua turma estava a fazer gelados, ele colocou uma mistura quase fervente de açúcar e leite (que é principalmente água) num congelador, e congelou antes de outras misturas que tinham sido arrefecidas à temperatura ambiente antes de congelarem.



A extrapolação de Mpemba a partir desta observação foi que quando volumes idênticos de água - um a 212 graus Fahrenheit (100 graus Celsius) e outro a 95 graus Fahrenheit (35 graus Celsius) - foram colocados em copos idênticos e colocados num congelador, a temperatura de 212 graus a água se transformaria em gelo mais rápido. A observação do sorvete e a postulação da água de Mpemba o alinharam com muitos séculos de cientistas que também suspeitavam dessa propriedade incomum da água.

Compreendendo o processo de congelamento

Quando a água congela e se transforma em gelo, ela sofre uma mudança de fase; ele passa de líquido para sólido. Os físicos tradicionalmente declaram a fase de uma substância quando ela está em equilíbrio. Isto significa que a substância está num estado estável e que quantidades significativas de energia não fluem de uma região para outra. Isso também significa que seu volume e temperatura permanecem estáveis. Quando uma substância não está em equilíbrio, os seus níveis de energia flutuam, e o mesmo acontece (potencialmente) com o seu estado da matéria.

Para que a água congele e permaneça congelada, as partículas individuais de água precisam atingir o equilíbrio. Se muita energia surgir através da água fora do equilíbrio, ela flutuará entre sólido e líquido (em baixas temperaturas) ou líquido e gasoso (em temperaturas mais altas). Quanto mais cedo as partículas de água atingirem o equilíbrio em baixos níveis de energia, mais cedo poderão congelar.

Como a água quente pode congelar mais rápido que a água fria?

Os físicos ainda estão debatendo se a água quente congela consistentemente mais rápido do que a água fria. Quando isso acontece, certas condições devem ser atendidas.

Quando um recipiente com água é submerso em um ambiente gelado, diferentes partes da água atingem o equilíbrio em momentos diferentes. A água ao redor da periferia da embarcação esfria mais rapidamente, o que significa que pode congelar enquanto a água no meio da embarcação permanece líquida. E quando você coloca especificamente um recipiente com água quente em um freezer (como a água fervente a 212 graus descrita por Mpemba), ele também libera vapor do topo do recipiente, e isso diminui o volume total de água que precisa congelar.



Além disso, a água fria (ou mesmo a água à temperatura ambiente) muitas vezes desenvolve uma camada de gelo na sua superfície como parte do processo de congelamento. Ironicamente, esta geada isola temporariamente a água (da mesma forma que um iglu de gelo isola seus habitantes do ar frio), o que pode retardar o processo geral de congelamento. A água quente, pelo menos nos estágios iniciais, bloqueia a formação de gelo, o que permite que o ar frio penetre mais profundamente no recipiente.

Estas são algumas das maneiras pelas quais a água quente pode causar congelamento mais rápido do que a água fria. Mas lembre-se que para a água congelar e permanecer congelada, ela deve atingir um estado de equilíbrio.

O estudo que pode comprovar o efeito Mpemba

Se há provas de que o efeito Mpemba é real e consistente, ela vem de um estudo de 2020 realizado por John Bechhoefer e Avinash Kumar. Publicado na revista Nature, o estudo submeteu esferas de vidro microscópicas ao que chamaram de “paisagem energética” controlada por lasers. Os pesquisadores aqueceram as contas a diferentes temperaturas. Eles então observaram quais das contas atingiram primeiro um estado de equilíbrio dentro daquela paisagem energética.

Bechhoefer e Kumar observaram que esferas microscópicas que começaram em altas temperaturas atingiram o equilíbrio mais rapidamente do que aquelas que começaram em temperaturas mais baixas. Isso é bastante interessante, mas como o alcance do equilíbrio se relaciona com o congelamento?



A conexão vem de trabalhos anteriores realizados por Zhiyue Lu, da Universidade da Carolina do Norte, e Oren Raz, do Instituto Weizmann de Ciência, em Israel. Seu artigo, "Termodinâmica de não-equilíbrio do efeito Markoviano Mpemba e seu inverso", publicado em Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) e descrito pela Quanta Magazine, postula que sistemas de matéria mais quentes podem ser capazes de avançar no processo de atingindo o equilíbrio, atingindo assim um estado estável mais rápido do que um sistema mais frio.

Se o relaxamento em direção ao equilíbrio é uma referência crítica no processo de congelamento da água, então o trabalho combinado de Bechhoefer e Kumar, juntamente com Lu e Raz, pode provar a existência de um efeito Mpemba.

O efeito Mpemba é um fato científico comprovado?

O efeito Mpemba não é uniformemente aceite como um fenómeno científico comprovado. No entanto, séculos de observação, além do trabalho recente de Bechhoefer, Kumar, Lu e Raz, convenceram muitos físicos de que, nas circunstâncias certas, a água quente pode realmente atingir um ponto de congelamento mais rápido do que a água fria.

Alguns cientistas, como Harry Burridge e Paul Linden, permanecem céticos. Eles reconhecem que, embora alguns recipientes de água quente possam congelar mais rapidamente do que recipientes de água fria de tamanhos iguais, mesmo a menor mudança nas condições apaga o efeito. O próprio estudo de Burridge e Linden de 2016, “Questionando o efeito Mpemba:a água quente não esfria mais rapidamente que a fria”, descobriu que qualquer prova de um efeito Mpemba dependia do tamanho de um recipiente de água e da colocação de um termômetro. Num estudo separado, o investigador James Brownridge descobriu que as impurezas num recipiente com água (como as da mistura de gelado de Mpemba) alteram o ponto de congelação do líquido. Embora reconheçam que há momentos em que a água quente congela mais rapidamente do que a água fria, estes cientistas argumentam que o fenómeno não se aplica uniformemente na natureza.



No entanto, outros físicos, como Raúl Rica Alarcón, da Universidade espanhola de Granada, acreditam que estes novos conjuntos de dados, como os oferecidos por Bechhoefer e Kumar, são significativos. “A minha opinião é que o efeito Mpemba pode ocorrer em algumas circunstâncias especiais”, diz Rica Alarcón, “mas ainda estamos a tentar descobrir quais são as condições mínimas para que isso aconteça”.

O efeito Mpemba no contexto

Rica Alarcón observa que a observância do Efeito Mpemba sempre envolve diferenças drásticas de temperatura entre um recipiente com água e o ambiente circundante. E, acrescenta, é possível observar fenómenos igualmente intrigantes quando se inverte as temperaturas e se coloca gelo congelado num ambiente quente.

O Efeito Mpemba, diz Rica Alarcón, “parece fazer parte de um grande grupo de efeitos de termalização anômalos, que ocorrem quando um sistema é subitamente colocado em contato com um banho termal a uma temperatura diferente”. O Efeito Mpemba descreve uma mudança de fase quente para fria, como “quando você pega uma xícara quente e a coloca na geladeira ou no freezer”. Mas as mudanças de fase fria para quente também provocam resultados incomuns. “Efeitos interessantes ocorrem quando você reduz a temperatura do frio para o quente”, diz Rica Alarcón, “como quando você coloca um cubo de gelo em água fervente”.



Sabemos que muitas gerações de cientistas observaram o congelamento da água quente com uma velocidade surpreendente. Rica Alarcón exorta-nos a encarar este processo de forma mais holística e a pensar no Efeito Mpemba como parte de um fenómeno mais amplo. “A termalização”, explica ele, “pode seguir caminhos contra-intuitivos devido ao fato de os processos ocorrerem fora de equilíbrio”.
Agora isso está frio
Tal como a água doce, a água do oceano pode congelar – apenas o faz a uma temperatura mais baixa. A água do mar congela a cerca de 28,4 graus Fahrenheit (menos 2 graus Celsius) devido ao seu teor de sal, enquanto a água doce congela a 32 graus Fahrenheit (0 graus Celsius).

Perguntas frequentes

Que aplicações práticas o efeito Mpemba pode ter?

As aplicações práticas do efeito Mpemba poderiam incluir processos de resfriamento mais eficientes em ambientes industriais ou a otimização de métodos de congelamento na preservação de alimentos e na criogenia.

Por que o efeito Mpemba não é reproduzível de forma consistente?

A inconsistência na reprodução do efeito Mpemba pode ser devida a diferenças na pureza da água e nas características do recipiente.