Desde os dias de Aristóteles, as pessoas fizeram a observação contra-intuitiva de que a água quente às vezes congela mais rápido do que a água fria. Nos tempos modernos, a observação foi chamada de efeito Mpemba em homenagem a Erasto Mpemba, um estudante do ensino fundamental que vivia no que hoje é a Tanzânia no início dos anos 60. Ao fazer sorvete, Mpemba observou que usar leite mais quente faz com que o sorvete congele mais rápido do que quando se usa leite mais frio.

Nas últimas décadas, o efeito Mpemba foi estudado e observado em vários sistemas físicos além da água, incluindo ressonadores de nanotubos de carbono e gaiolas de água semelhantes a gelo chamadas clatratos hidratados. Apesar dessas descobertas, as causas do efeito não são bem compreendidas. As explicações propostas incluem a presença de impurezas, ligação de hidrogênio, e super-resfriamento. Mesmo a mera existência do efeito Mpemba permanece controversa, como um estudo recente encontrou evidências insuficientes para replicar um efeito significativo.

Agora, seu interesse reacendeu-se por um artigo recente que propõe um mecanismo genérico para efeitos semelhantes, os cientistas Antonio Lasanta e co-autores de universidades da Espanha voltaram ao assunto em um novo estudo publicado em Cartas de revisão física . Em seu trabalho, os pesquisadores teoricamente demonstram e investigam o efeito Mpemba em fluidos granulares, como os feitos de areia ou outras partículas pequenas.

Usando simulações de sistemas granulares e uma abordagem de teoria cinética simples, os pesquisadores foram capazes de determinar que as condições iniciais em que o sistema é preparado desempenham um papel crítico para determinar se o sistema exibe ou não o efeito Mpemba. A análise também permitiu identificar as condições iniciais necessárias para que um sistema granular exibisse o efeito Mpemba.

“Nosso trabalho mostra que a existência do efeito Mpemba é muito sensível ao preparo inicial do fluido ou, em outras palavras, à sua história anterior, “coautor Andrés Santos na Universidade da Extremadura em Badajoz, Espanha, contado Phys.org . "Em nossa opinião, isso pode explicar a evasão e a controvérsia do efeito Mpemba na água, como consequência da falta de controle sobre a preparação inicial detalhada da amostra. "

Como os pesquisadores mostraram, se um sistema não for preparado sob certas condições iniciais, então o sistema mais frio esfria mais rapidamente do que o mais quente, como esperado, e não há efeito Mpemba.

"Teoricamente mostramos, pelo menos no caso de um gás, que a evolução da temperatura de um sistema e, portanto, sua taxa de resfriamento e / ou aquecimento não dependem apenas da temperatura inicial, mas também na história anterior do sistema que controla o valor inicial das variáveis ​​adicionais, "Disse Santos." Portanto, é perfeitamente possível que um sistema inicialmente aquecido resfrie mais rápido do que um sistema mais frio com um histórico diferente. "

Conforme os pesquisadores explicaram mais, a simplicidade do efeito Mpemba em fluidos granulares em comparação com a água e outros sistemas permitiu-lhes chegar a esta conclusão.

"Nossos resultados mostram que o efeito Mpemba é um fenômeno genérico de desequilíbrio que aparece se a evolução da temperatura depende de outras grandezas físicas que caracterizam o estado inicial do sistema, "Disse Santos." Na prática, tal estado inicial pode ser alcançado experimentalmente se o sistema for tomado por algum procedimento físico muito distante do equilíbrio (por exemplo, por um impulso súbito de aquecimento antes do resfriamento). Nosso trabalho teórico e computacional mostra que o efeito Mpemba é particularmente simples em um gás granular, Desde a, na prática, há um único parâmetro extra controlando o efeito Mpemba. Este parâmetro é a curtose, que mede o desvio da função de distribuição de velocidade de uma distribuição gaussiana. "

Com este novo entendimento, os pesquisadores poderiam estimar uma faixa de temperaturas iniciais para as quais o efeito emerge e determinar quão diferentes os valores iniciais desse parâmetro devem ser para que o efeito Mpemba apareça.

Os resultados também apóiam as previsões da existência de um efeito Mpemba inverso:quando aquecido, uma amostra mais fria pode atingir uma temperatura alvo quente mais cedo do que uma amostra mais quente. Os pesquisadores planejam investigar esta área e outras no futuro.

"Do lado teórico, planejamos realizar um estudo semelhante no caso de um soluto molecular (onde as colisões são totalmente elásticas) suspenso em um solvente que produz uma força de arrasto não linear nas partículas de soluto, "Disse Santos." Voltando aos fluidos granulares, também queremos analisar o impacto da rugosidade e da rotação das partículas no efeito Mpemba. No último sistema, o modelo mais simples acoplaria a evolução da temperatura à do parâmetro que mede a não-equipartição de energia entre os graus de liberdade translacional e rotacional.

"Do lado experimental, pensamos que reproduzir em laboratório o efeito Mpemba em um gás granular seria um grande avanço. No momento, estamos trabalhando no projeto de um experimento ad hoc. "

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