Explicação do Fenómeno:
Quando confrontados com esta questão pela primeira vez somos impelidos a achar que se trata de um disparate. Se a temperatura da água num recipiente A é superior à temperatura da água noutro recipiente B então a água em A vai atingir o ponto de congelação mais tarde que a água em B, demorando mais tempo a ficar sólida… Quando confrontada com a realidade esta explicação mostra-se, como se pode observar experimentalmente, demasiado simples. Verifica-se, pois, que o abaixamento da temperatura de um líquido não é um processo assim tão linear pelo que há que ter em conta outros factores que, apesar de tudo, não deixam de ter um quê de especulativos:
Boa condução e bom contato
Convecção e superfície isolante
Evaporação
Má Condução
Gases dissolvidos
Boa condução e bom contacto
Existe a teoria de que uma camada fina de gelo na superfície de um recipiente pode atrasar o processo de arrefecimento.
Se a água quente for colocada no congelador num recipiente pequeno que seja um bom condutor térmico, o calor da água ao ser conduzido através do recipiente pode derreter todo gelo que aderir à sua superfície. Isto inclui a camada de gelo que se encontra na superfície inferior (base) do recipiente . Quando se dá a recongelação deste gelo, vai-se formar uma boa conexão entre a base do recipiente e a superfície onde a mesma está apoiada, permitindo uma melhor condução do calor do recipiente para o seu exterior do que no caso do recipiente que contém água fria e que, por isso, continua com uma camada de gelo na sua base. Em consequência disso, o calor é extraído do recipiente mais quente mais rapidamente, fazendo com que a sua temperatura baixe de forma mais rápida do que no que contém água fria.
Convecção e superfície isolante
Quando se congela água fria, é natural que surja em primeiro lugar uma camada de gelo na superfície do liquido. Essa camada vai prejudicar as trocas energéticas com exterior funcionado como uma superfície isolante, o que vai retardar o processo de congelação. No caso de a água estar morna, verifica-se que essa camada de gelo não se forma, pelo que não há lugar a esse efeito isolante. Isto acontece porque a água da superfície ao arrefecer vai-se deslocar para o fundo do recipiente criando uma corrente de convecção, corrente essa que vai promover a homogeneidade da temperatura da água no interior do recipiente.
Evaporação
Pensa-se que a evaporação é um factor que permite que a água morna congele mais rapidamente do que a água fria. A água morna ou quente evapora mais facilmente do que a água fria. Assim a evaporação não só reduz, ligeiramente, a quantidade de água quente a congelar como provoca um abaixamento na temperatura da mesma devido à perda de calor.
Má Condução
Se o recipiente for de um material que seja um mau condutor térmico, como a madeira, a refrigeração da água será na sua maior parte devida evaporação em vez da condução. Este poderia ser um factor importante na explicação de como a água quente congela mais rapidamente do que a água fria. Vimos que a água quente tem vantagem neste particular… Mpemba usou covetes de madeira quando fazia o seu gelado e observou o fenómeno.
Gases dissolvidos
Um outro factor tem a ver com o facto de a água possuir gases dissolvidos, tais como o oxigénio e o dióxido de carbono, cujo o efeito é baixar o seu ponto de congelação. Quando a água é aquecida, os gases são expelidos uma vez que a sua solubilidade em água diminui a altas temperaturas. Assim, quando a água quente arrefece, tem menos gás dissolvido do que a água que não foi aquecida, assim há um aumento do seu ponto de congelação. pelo que congela primeiro!
Experimente!:
Para se testar este efeito é necessário manter todos os factores constantes (excepto a temperatura da água). Neste caso para duplicarmos o Efeito Mpemba em casa devemos manter constantes os seguintes parâmetros:
A temperatura do congelador
A quantidade de água colocada no recipiente
O tamanho, forma e material do recipiente
Qualquer tipo de movimento do ar sobre a água.
Eu não corro porque derruba o gelo do copo.
