A água morna se transforma em gelo mais depressa que a água fria – e ninguém consegue explicar
Apesar de parecer uma grande contradição da física, a água quente parece congelar mais rápido do que a água fria em algumas circunstâncias. E ninguém sabia porquê, até agora.
O fenômeno conhecido como Efeito Mpemba é observado há muito tempo, inclusive pelo próprio Aristóteles, mas depois de séculos de experimentos demonstrando este fenômeno, ainda não há explicação boa o suficiente que justifique o efeito.
Agora físicos estão focados nas estranhas propriedades das ligações de hidrogênio como a solução para um dos mistérios mais antigos da física.
O Efeito Mpemba já havia sido observado por Aristóteles mais de dois mil anos atrás. Francis Bacon e René Descartes também incluíram o efeito em suas observações, mas foi apenas na década de 1960 que o conceito ganhou popularidade no mundo, quando um garoto da Tanzânia, Erasto Mpemba, notou o efeito quando fazia sorvete.
Para fazer sorvete, Erasto e seus amigos costumavam ferver leite, misturá-lo com açúcar, esperar que a mistura esfriasse para depois colocá-la no congelador. Um dia, porém, o menino ficou impaciente e ao invés de esperar sua mistura resfriar, decidiu colocar o leite ainda fervente no freezer.
Para surpresa geral, seu sorvete ficou sólido antes do sorvete de seus amigos, e em 1969 o estudante se uniu ao seu professor de física para descrever o fenômeno em um artigo que foi publicado.
O problema com o efeito é que apesar de ser facilmente observado, físicos não sabem exatamente como funciona. Como pode ser que a água quente atinja o ponto de congelamento mais rápido do que a água fria, quando a segunda já está bem mais próxima de 0ºC?
Em 2012 a Royal Society of Chemistry organizou uma competição entre cientistas para explicar o fenômeno, e apesar de ter recebido 22 mil artigos do mundo todo, nenhuma da explicação foi convincente suficiente para atingir consenso.
A hipótese mais aceita é a de que a água quente evapora mais rapidamente, perdendo massa e precisando de menos calor para congelar. No entanto, cientistas também conseguiram demonstrar o Efeito Mpemba com recipientes fechados, sem evaporação.
Outra especulação teórica é que a água tem correntes de convecção e diferentes temperaturas conforme se resfria.
Um copo de água quente que se resfria rapidamente vai apresentar diferenças de temperatura em diferentes pontos, perdendo mais calor na superfície, enquanto um copo de água gelado apresenta menor diferença de temperatura, e há menos convecção no processo.
Possível solução
Agora, pesquisadores das universidades Southern Methodist (EUA) e Nanjing (China) acreditam ter encontrado a solução para este problema: as estranhas propriedades das ligações formadas entre átomos de hidrogênio e oxigênio nas moléculas de água poderiam ser a chave para explicar o efeito Mpemba.
Simulações de conjuntos de moléculas de água revelaram que a força das ligações de hidrogênio em uma molécula de água depende do arranjo das moléculas de água vizinhas.
“Conforme a água é aquecida, as ligações fracas se quebram, e grupos de moléculas se formam em fragmentos que podem se realinhar para formar a estrutura cristalina do gelo, iniciando o processo de congelamento”, diz a pesquisadora Emily Conover em entrevista para a Science News.
Em outras palavras, encontramos mais ligações de hidrogênio fortes na água quente do que na água fria, já que as mais fracas se quebram durante o aquecimento.
“A análise nos faz propor uma explicação molecular para o Efeito Mpemba. Na água quente, as ligações de hidrogênio fracas são quebradas, e pequenos conjuntos de água se ligam com ligações fortes, o que acelera o processo que leva à configuração hexagonal do gelo”, diz Conover.
“Assim a água congela mais rápido do que água gelada, em que a transformação de conjuntos de água arranjados de forma aleatória consome tempo e energia”, acrescenta a pesquisadora.
Enquanto isso, outros pesquisadores não acreditam que este efeito seja real, e dizem que o resultado não é observado quando o experimento é reproduzido.
Um artigo da Imperial College London monitorou o tempo que levou para água quente e água fria para atingir o ponto de congelamento. “Não importa o que fizemos, não conseguimos observar nada semelhante ao Efeito Mpemba”, afirma um dos pesquisadores, Henry Burridge.
Sem dúvida ainda há muitos estudos a serem conduzidos nesta área da física – que, apesar de parecer tão simples, não deixa de nos surpreender.
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