Il paradosso che sfida la fisica: il mistero dell'acqua calda che congela prima dell'acqua fredda

E se ciò che diamo per ovvio non fosse sempre vero? In cucina, in laboratorio o sopra un lago ghiacciato, l’acqua continua a custodire segreti che sconcertano persino la fisica moderna. Uno dei più intriganti è questo: in determinate condizioni, l’acqua calda può congelarsi prima di quella fredda. Una parabola talmente controintuitiva che per secoli è stata liquidata come un errore. Fino a quando la scienza ha dovuto arrendersi all’evidenza.

La scienza contro l’intuizione: il mistero dell’acqua calda che si congela per prima

Questo comportamento apparentemente impossibile è conosciuto come effetto Mpemba, in onore di Erasto Mpemba, uno studente tanzaniano che nel 1963 osservò che una miscela calda per fare il gelato si congelava prima di un’altra più fredda.

Oggi sappiamo che l’effetto Mpemba è reale, ma anche condizionale: non si verifica sempre né in qualsiasi circostanza. Dipende da molteplici variabili come la temperatura iniziale, il tipo di recipiente, l’ambiente, la composizione dell’acqua o persino le modalità di raffreddamento. Proprio questa complessità lo rende ancora una sfida scientifica aperta.

Che cos’è esattamente l’effetto Mpemba?

In forma semplificata, l’effetto Mpemba descrive la situazione in cui un campione di acqua inizialmente più calda raggiunge lo stato solido prima di un altro più freddo, quando entrambi vengono sottoposti alle stesse condizioni di congelamento. Non implica che l’acqua calda si raffreddi più velocemente in ogni momento, ma che attraversi prima la soglia di congelamento.

Questo fenomeno non viola le leggi della termodinamica, ma mette in evidenza quanto i processi di trasferimento del calore e i cambiamenti di fase dell’acqua siano molto più complessi di quanto suggeriscano i modelli di base.

L’evaporazione come chiave: meno acqua da congelare, meno tempo necessario

Una delle ipotesi più citate riguarda l’evaporazione. L’acqua calda evapora più rapidamente, riducendo la sua massa totale. Meno acqua significa meno energia da estrarre per congelarla, il che potrebbe accelerare il processo.

Tuttavia, questa spiegazione da sola non basta: l’effetto Mpemba è stato osservato anche in recipienti chiusi, dove l’evaporazione è minima. Pertanto, pur essendo rilevante, non spiega tutti i casi.

Un’altra linea di ricerca si concentra sulle correnti di convezione. Nell’acqua calda, il calore si ridistribuisce in modo più efficiente: l’acqua più calda sale e quella più fredda scende, facilitando una perdita di energia più rapida e uniforme.

Al contrario, l’acqua inizialmente fredda può sviluppare strati termici più stabili che rallentano la dissipazione del calore. Questa differenza nella dinamica interna del liquido può influire in modo decisivo sul tempo di congelamento.

Come la perdita di gas e i cambiamenti molecolari influenzano il ghiaccio

L’acqua contiene gas disciolti come ossigeno o anidride carbonica, la cui quantità diminuisce quando viene riscaldata. Alcuni studi suggeriscono che un minor contenuto di gas possa modificare il modo in cui si formano i cristalli di ghiaccio, favorendo una congelazione più rapida.

A questo si aggiunge la complessa struttura molecolare dell’acqua, con legami a idrogeno che cambiano in base alla temperatura. Riscaldare l’acqua può alterare questa rete interna in modo tale che, raffreddandosi, si riorganizzi più facilmente in una struttura solida.

Lontano dall’essere completamente risolto, l’effetto Mpemba continua a essere oggetto di intensa ricerca. Esperimenti recenti mostrano che, in condizioni controllate, fino al 10-15% dei campioni di acqua calda si congela più velocemente di quelli freddi, a seconda di fattori come la purezza dell’acqua, il tipo di recipiente e la temperatura iniziale.

Non esiste una teoria unica che spieghi tutti i casi, e gli scienziati concordano sul fatto che si tratti di un fenomeno multifattoriale, risultato dell’interazione tra evaporazione, convezione e cambiamenti nella struttura molecolare.