Effetto Mpemba

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Esperimento con effetto Mpemba: l'acqua calda contenuta in un thermos, se lanciata in aria in un ambiente molto freddo, ghiaccia all'istante prima di toccare terra
Grafico che mostra l'andamento della temperatura nel tempo di due contenitori contenenti acqua a temperature iniziali di 18,6°C (in blu) e 42,9°C (in rosso). È evidente come il raffreddamento del secondo sia avvenuto più rapidamente rispetto a quello dell'altro.

L'effetto Mpemba è il fenomeno fisico per cui, esposta alla stessa temperatura esterna, una stessa quantità di acqua calda si raffredda più velocemente e solidifica prima di quella fredda.

L'effetto era già noto nell'antichità, essendo stato descritto nella sua Meteorologica[1] da Aristotele nel IV secolo a.C.; tuttavia è tornato oggetto di studio solo a partire dal 1969, quando lo studente tanzaniano Erasto Mpemba, da cui prende il nome, lo ha riscoperto per caso.

Non è ancora stata trovata una spiegazione soddisfacente per il fenomeno; un revisore del Physics World ha scritto: "Sebbene l'effetto Mpemba sia reale, non è chiaro se la spiegazione sia banale o illuminante."[2]

Storiamodifica | modifica wikitesto

Una pentola d'acqua bollente lanciata nell'aria d'inverno

La prima descrizione dell'effetto Mpemba è stata fornita da Aristotele, osservando gli abitanti del Ponto quando andavano a pescare nei laghi ghiacciati: versavano dell'acqua tiepida intorno alle canne per formare del ghiaccio da utilizzare come piombo. Allora intuì che riscaldando l'acqua si contribuisce al suo congelamento rapido.[3]

Nel 1963 Erasto Mpemba, uno studente di terza media della città di Magamba, in Tanzania, osservò il fenomeno mentre preparava il gelato a scuola. Rimasto indietro rispetto ai suoi compagni, inserì gli ingredienti nel congelatore quando erano ancora caldi: dopo un'ora e mezza circa la sua preparazione era già congelata, contrariamente a quelle dei suoi compagni che avevano fatto raffreddare gli ingredienti.[4]

In seguito Mpemba frequentò la scuola superiore di Iringa. Un giorno, nel 1969, il preside invitò il professor Denis Osborne dell'università di Dar es Salaam a tenere una lezione di fisica. Al termine della lezione, Mpemba chiese al professore: "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 provò l'esperimento a casa e notò che l'osservazione di Mpemba era corretta. Dopo una costernazione iniziale, Osborne ha sperimentato la questione sul posto di lavoro e ha confermato la scoperta di Mpemba. Pubblicarono insieme i risultati della scoperta nel 1969.[5]

Possibili spiegazionimodifica | modifica wikitesto

Sono state proposte molte teorie per giustificare questo comportamento controintuitivo. Fattori certamente significativi sono:

  1. se si pone in un congelatore un liquido molto caldo, la massa di liquido nel bicchiere diminuisce per evaporazione;
  2. il bicchiere caldo scioglie il leggero strato di ghiaccio che di norma ricopre i ripiani di un congelatore, e pone a contatto diretto il bicchiere col metallo freddo. Invece il bicchiere con l'acqua a temperatura ambiente resta poggiato su uno strato di brina che conduce il calore peggio del metallo ed è, sia pure in minima misura, isolato dal ripiano del congelatore quindi si ha una minore dispersione di calore per conduzione;
  3. nel liquido più caldo si produce un moto di convezione che migliora lo scambio di calore con l'esterno; inoltre la convezione all'interno della massa d'acqua, evita (e.g. o rallenta) la formazione di uno strato superiore più freddo ed isolante (e.g. effetto lago ghiacciato);
  4. il riscaldamento riduce la presenza di gas disciolti all'interno del liquido con la conseguenza che la convezione avviene a maggiore velocità;
  5. l'effetto della convezione diminuisce il surraffreddamento, ovvero la fase del congelamento in cui la temperatura del liquido scende al di sotto della temperatura di solidificazione prima che gli atomi comincino ad allinearsi per formare la fase solida cristallina.

Bisogna tenere in conto che il congelamento è un fenomeno complesso che non si riduce alla mera cessione di calore da parte del liquido, ma necessita del passaggio degli atomi e/o molecole del liquido alla forma cristallina. Alcune sostanze allo stato liquido, come ad esempio il vetro[non chiaro], non riescono a cristallizzare a causa del notevole aumento della viscosità che ne intrappola le molecole impedendo a queste di assumere il corretto allineamento.[6] Questo induce a pensare che, sebbene le motivazioni di cui sopra sembrino sufficienti a spiegare il fenomeno, di fatto una spiegazione completa deve considerare la forma cristallina della sostanza ed i vari fenomeni chimici di scambio energetico a livello atomico e/o molecolare.

Vi sono altri effetti secondari, come il precipitare di soluti, che contribuiscono all'effetto quando non si utilizzi semplice acqua ma soluzioni. Tuttavia l'effetto riscontrato da Mpemba nel congelamento di un preparato per il gelato è stato studiato soprattutto con semplice acqua.

L'effetto, indubbiamente controintuitivo, dimostra la necessità di considerare tutti i parametri di possibile rilevanza e l'uso dei migliori strumenti teorici nello studio di un problema fisico. Una descrizione dettagliata dell'effetto e delle diverse teorie per darne spiegazione si può trovare in un lavoro di N. Bregovic, vincitore della "Mpemba Competition"[7][8].

Notemodifica | modifica wikitesto

  1. ^ Μετεωρολογικά, I, 12
  2. ^ P. Ball, Does hot water freeze first?, in Physics World, 19(4), aprile 2006, pp. 19–21.
  3. ^ Meteorology, su classics.mit.edu.
  4. ^ L'acqua calda ghiaccia prima di quella fredda?, su nationalgeographic.it.
  5. ^ Perché l’acqua calda congela prima di quella fredda?, su Focus.it.
  6. ^ Mikhail V. et al. Volkenstein, Entropy and Information (Progress in Mathematical Physics), Birkhauser, 2003, ISBN 978-3-0346-0077-4.
  7. ^ The Mpemba effect: competition and resources, su LearnChemistry.
  8. ^ Nikola Bregovic, Mpemba effect from a viewpoint of an experimental physical chemist (PDF).

Bibliografiamodifica | modifica wikitesto

  • Erasto Mpemba and Denis Osborne, Cool? Physics Education 1, 1969 (May, Vol 4) pp 172–175 DOI:10.1088/0031-9120/4/3/312
  • Monwhea Jeng, The Mpemba effect: When can hot water freeze faster than cold? in American Journal of Physics, volume 74, 2006, numero 6, pagina 514.
  • Xi Zhang e altri, O:H-O Bond Anomalous Relaxation Resolving Mpemba Paradox? Nanyang Technological University - Singapore, 2014.

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Collegamenti esternimodifica | modifica wikitesto