À descoberta do Efeito Mpemba: será que a água quente congela realmente mais depressa do que a água fria?

O efeito agora conhecido como efeito Mpemba foi observado pela primeira vez no século IV a.C. por Aristóteles, e muitos cientistas, como René Descartes, observaram o mesmo fenómeno nos séculos que se seguiram ao tempo de Aristóteles.

Foi apelidado de efeito Mpemba na década de 1960, quando o estudante Erasto Mpemba, da Tanzânia, afirmou na sua aula de ciências que o gelado congelava mais depressa se fosse aquecido antes de ser colocado no congelador. O riso dos colegas só terminou quando um inspetor escolar fez a experiência e o confirmou.

Entretanto Mpemba escreveu sobre as suas observações num artigo de 1969, intitulado simplesmente "Cool?", que deu origem ao termo "efeito Mpemba". Mas será que Erasto Mpemba estava correto? Será que a água quente congela realmente mais rápido do que a água fria?

O que é o efeito Mpemba?

De acordo com o site HowStuffWorks, o efeito Mpemba é um conceito físico que postula que quando a água quente e a água fria são colocadas no mesmo ambiente de congelação, a água quente congela mais rapidamente do que a água fria.

Erasto Mpemba observou que, quando a sua turma estava a fazer gelados, colocou uma mistura de açúcar e leite quase a ferver num congelador, e esta congelou antes de outras misturas que tinham sido arrefecidas à temperatura ambiente antes de congelarem.

A extrapolação de Mpemba a partir desta observação foi que quando volumes idênticos de água - um a 100 graus Celsius e o outro a 35 graus Celsius - eram colocados em copos idênticos e colocados num congelador, a água a 100 graus Celsius transformava-se em gelo mais rapidamente.

Percebendo o processo de congelamento

Quando a água se transforma em gelo, sofre uma mudança de estado. Passa de um líquido para um sólido. Os físicos declaram tradicionalmente o estado de uma substância quando esta se encontra em equilíbrio. Isto significa que a substância se encontra num estado estável e que não estão a fluir quantidades significativas de energia de uma região para outra.

Significa também que o seu volume e temperatura permanecem estáveis. Quando uma substância não está em equilíbrio, os seus níveis de energia flutuam, e o mesmo acontece (potencialmente) com o seu estado da matéria.

Para que a água congele e permaneça congelada, as partículas individuais de água têm de atingir o equilíbrio. Se demasiada energia passar pela água que não está em equilíbrio, esta irá flutuar entre sólido e líquido (a baixas temperaturas) ou líquido e gás (a temperaturas mais elevadas). Quanto mais cedo as partículas de água atingirem o equilíbrio a baixos níveis de energia, mais cedo podem congelar.

Como é que a água quente pode congelar mais depressa do que a água fria?

Os físicos ainda estão a debater se a água quente congela consistentemente mais depressa do que a água fria. Quando isso acontece, é necessário que se verifiquem determinadas condições.

Quando um recipiente com água é submerso num ambiente gelado, diferentes partes da água atingem o equilíbrio em alturas diferentes. A água à volta da periferia do recipiente arrefece mais rapidamente, o que significa que pode congelar, enquanto a água no meio do recipiente permanece líquida.

E quando colocamos especificamente um recipiente com água quente num congelador (como Erasto Mpemba fez), também está a libertar vapor do topo do recipiente, o que diminui o volume total de água que precisa de congelar.

Além disso, a água fria (ou mesmo a água à temperatura ambiente) desenvolve frequentemente uma camada de gelo na sua superfície como parte do processo de congelação.

Ironicamente, este gelo isola temporariamente a água (tal como um iglu de gelo isola os seus habitantes do ar frio), o que pode abrandar o processo geral de congelação. A água quente, pelo menos nas fases iniciais, bloqueia a formação de gelo, o que permite que o ar frio penetre mais profundamente no recipiente.

Estas são algumas das formas como a água quente pode provocar a congelação mais rapidamente do que a água fria. Mas lembre-se que para a água congelar e permanecer congelada, tem de atingir um estado de equilíbrio.

O estudo que pode provar o efeito Mpemba

A prova de que o efeito Mpemba é real e consistente pode ser considerada a partir de um estudo de 2020 de John Bechhoefer e Avinash Kumar. O estudo submeteu contas de vidro microscópicas (esferas) àquilo a que chamaram uma "paisagem energética" controlada por lasers. Os investigadores aqueceram as esferas a diferentes temperaturas. Depois observaram qual das esferas atingiu primeiro um estado de equilíbrio dentro dessa paisagem energética.

O artigo de Lu e Raz - "Nonequilibrium thermodynamics of the Markovian Mpemba effect and its inverse" -, postula que os sistemas de matéria mais quentes podem ser capazes de saltar para a frente no processo de atingir o equilíbrio, alcançando assim um estado estável mais rapidamente do que um sistema mais frio.

Se o relaxamento em direção ao equilíbrio é uma referência crítica no processo de congelamento da água, então o trabalho combinado de Bechhoefer e Kumar, juntamente com Lu e Raz, pode provar a existência de um efeito Mpemba.

Mas ainda há alguns céticos…

O efeito Mpemba não é uniformemente aceite como um fenómeno científico comprovado. No entanto, séculos de observação e trabalhos recentes de Bechhoefer, Kumar, Lu e Raz convenceram muitos físicos de que, nas circunstâncias certas, a água quente pode efetivamente atingir um ponto de congelação mais rapidamente do que a água fria.

Alguns cientistas, como Harry Burridge e Paul Linden, permanecem céticos. Embora reconheçam que há alturas em que a água quente congela mais depressa do que a água fria, estes cientistas argumentam que o fenómeno não se aplica uniformemente na natureza.

Fontes e referências da notícia:Cool? A paper by Erasto Mpemba and Denis Osborne, 1969
Kumar, A., Bechhoefer, J. Exponentially faster cooling in a colloidal system. Nature 584, 64–68 (2020).
Lu, Z., Raz, O. Nonequilibrium thermodynamics of the Markovian Mpemba effect and its inverse. PNAS (2016).
Burridge, H., Linden, P. Questioning the Mpemba effect: hot water does not cool more quickly than cold. Sci Rep 6, 37665 (2016).
Dylan Ris. "The Mpemba Effect: Does Hot Water Really Freeze Faster Than Cold Water?" 12 March 2024. HowStuffWorks.com.