Effetto Mpemba: pericolosi disegni di ghiaccio

Fig. 1

Ecco un’immagine spettacolare di quella che è chiamata da molti la “Boiling Water Challenge”; negli ultimi anni gli Stati Uniti sono stati colpiti da inverni particolarmente gelidi con temperature molto basse, causate dall’anomalia del vortice polare. 

Parecchie persone hanno deciso di sfruttare le straordinarie e fredde condizioni climatiche per prendere parte a questa virale “Boiling Water Challenge”.

In cosa consiste questa sfida?

Lanciare pericolosamente acqua bollente nell’aria gelida per vedere cosa accade. E il risultato? Per alcune persone non è stato quello sperato: molti “sperimentatori” sono stati ricoverati in ospedale e trattati per ustioni, anche estese, con diffuse vesciche.

Nella fotografia è immortalato l’istante in cui, dopo il lancio in aria dell’acqua calda contenuta nel thermos, si osserva la repentina solidificazione del liquido, prima che precipiti a terra. Certamente un “pericoloso disegno di ghiaccio”!

Come si chiama questo effetto?

Questo effetto spettacolare è chiamato effetto Mpemba ed è un fenomeno fisico termodinamico controintuitivo: secondo alcune osservazioni, alcuni liquidi caldi solidificano più rapidamente degli stessi a temperatura ambiente.

Nonostante questo fenomeno sia noto da tempo, nessuno l’ha mai studiato in modo rigoroso. 

L’effetto era già conosciuto nel IV secolo a.C. quando Aristotele scrisse nella sua opera Meteorologica che i liquidi preriscaldati tendono a congelare più velocemente. Nei secoli successivi furono raccolti altri commenti positivi a sostegno di questa osservazione di Aristotele da parte di Francis Bacon e di Cartesio, ma non ci fu uno studio approfondito del fenomeno, forse troppo strano per sembrare vero.

Come può una quantità di acqua calda solidificarsi prima di un’analoga quantità di acqua fredda?

Si deve attendere il 1963, quando uno studente di terza media in Tanzania, Erasto Mpemba, impegnato in una lezione di cucina, preparando una miscela per fare del gelato e resosi conto di essere in ritardo sulla tabella di marcia della lezione, decise di inserire il proprio composto ancora caldo nel congelatore, a differenza dei compagni di classe che avevano aspettato che la loro miscela si raffreddasse.

Dopo circa un’ora e mezza, Mpemba tornò con un compagno di classe a controllare la propria miscela e, con stupore, si accorse che il suo prodotto era già compatto, a differenza di quello dell’amico che non era ancora congelato completamente. 

Dopo alcuni anni Mpemba ebbe la possibilità di presenziare ad una conferenza e porre la seguente domanda a un professore universitario, Denis Osborne dell’Università di Dar es Salaam: 

“Se si prendono due contenitori simili con volumi uguali di acqua, uno a 35 °C e l’altro a 100 °C, e li si mettono in un congelatore, quello che era a 100 °C si congela per primo, perché?”.

Osborne rimase perplesso, ma da bravo docente incoraggiò il giovane a ripetere l’esperienza ed egli stesso, tornato a casa, provò l’esperimento scoprendo che l’osservazione di Mpemba era corretta.

Successivamente sperimentò la questione in laboratorio, usando strumenti di misura e lavorando in condizioni più controllate.

Qual è il finale della storia? 

Nel 1969 lo studente Mpemba e il professore Osborne pubblicarono insieme i risultati della scoperta scrivendo a quattro mani un articolo che apparve sulla rivista Physics Education con il semplice titolo “Cool?”

Da allora il fenomeno è noto a tutti come effetto Mpemba.

Fig. 2

Per anni l’effetto Mpemba è stato considerato solo una curiosità didattica; in ambito accademico nessuno ha mai pensato di approfondire in modo rigoroso l’argomento. 

Fig. 3

Innanzitutto l’affermazione “l’acqua calda gela più velocemente di quella fredda” è difficile da riprodurre o confermare, perché come affermazione risulta inadeguata e mal definita. 

In un interessante articolo scritto dal professore Jeng Monwhea del Dipartimento di Fisica della Southern Illinois University Edwardsville, nel 2005, viene proposta una formulazione più precisa dell’affermazione suddetta:

“Esistono una serie di parametri iniziali (massa dell’acqua, gas disciolti in essa, forma e tipo di contenitore, metodo di refrigerazione) e una coppia di temperature tali che due campioni di acqua identici per i parametri e diversi solo per le temperature iniziali congelino in tempi diversi e il campione più caldo formi il ghiaccio prima”.

Nel corso del tempo sono state proposte diverse teorie per spiegare questo effetto, ma la conclusione a cui giunge il professor Monwhea è che non esiste un’unica spiegazione del motivo per cui l’acqua calda, talvolta, geli prima di quella fredda.

Il fenomeno è più complesso di quanto immaginato.  

Un articolo del 2017, presente su Physical Review Letters, ha reso pubblico lo studio effettuato da un team di ricerca spagnolo, coordinato dal professor André Santos dell’Università di Extremadura (Spagna); la ricerca, pur non avendo fatto emergere le cause esatte dell’effetto Mpemba, ha chiarito alcuni meccanismi che ne stanno alla base.

Condizioni ottimali per l’osservazione dell’effetto Mpemba: liquido come fluido granulare.

Le molecole del fluido sono in movimento e si scontrano scambiando nell’urto energia. Se il liquido è caldo il moto delle particelle è più intenso e gli urti sono più frequenti. Questo può spiegare perché il liquido che parte da una temperatura maggiore si raffreddi più rapidamente.

Con questo presupposto i ricercatori hanno messo a punto un sistema di calcolo per prevedere l’evoluzione dell’effetto Mpemba in diverse condizioni. Non solo hanno trovato che il liquido più caldo si raffredda prima, ma hanno scoperto l’effetto contrario, ovvero che il liquido più freddo è anche quello che si riscalda più velocemente; quest’ultimo caso è stato ribattezzato effetto Mpemba inverso.   

L’uso delle simulazioni di sistemi granulari e la teoria cinetica hanno permesso di comprendere come le condizioni iniziali di preparazione del sistema svolgano un ruolo fondamentale per poter osservare l’effetto Mpemba. 

“Il nostro lavoro mostra che l’esistenza dell’effetto Mpemba è molto sensibile alla preparazione iniziale del fluido o, in altre parole, alla sua storia precedente”, ha detto a Phys.org il professore Santos dell’Università di Extremadura a Badajoz, in Spagna.

“A nostro avviso, questo potrebbe spiegare l’elusività e la controversia dell’effetto Mpemba nell’acqua, come conseguenza della mancanza di controllo sulla preparazione iniziale dettagliata del campione.”

La ricerca scientifica prosegue il suo sviluppo, sia in ambito teorico, sia in ambito applicativo; quello che si rinnova in noi è sempre il senso di meraviglia nel constatare come una piccola molecola, ancora una volta, possa sorprenderci con la sua magia.