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Por que razão a água quente congela mais depressa do que a fria? 29 de Março de 2010

Fenómeno de Mpemba já tinha sido observado por Aristóteles, Descartes e Francis Bacon.

A água quente congela mais rapidamente do que a água fria − mas porquê? A resposta a este peculiar fenómeno, que intrigou cientistas de várias gerações, depende da existência de impurezas na água.

O congelamento rápido da água quente é conhecido como efeito Mpemba, e os físicos têm apostado em várias teorias como a evaporação mais rápida reduz o volume da água quente ou que uma camada de gelo isola a água fria.

Já Aristóteles, no século IV a.C., afirmava,  na sua obra Meteorológica I, que a água previamente aquecida contribui para um aquecimento mais rápido e em 1461 o físico Giovanni Marliani confirma igualmente esta situação. Também Descartes e Francis Bacon demonstram o que já parecia ser de senso comum.

Contudo a resposta tem sido muito difícil de encontrar, porque o efeito não é constante − a água fria também pode congelar rapidamente.

James Brownridge, responsável pela segurança radioactiva do Departamento de Física da Universidade de Nova Iorque, acredita que esta aleatoriedade é crucial. Ao longo dos últimos dez anos, realizou centenas de experiências sobre o efeito de Mpemba e tem provas de que o efeito é baseado no fenómeno do sobre arrefecimento (supercooling).

A estranheza do fenómeno parte do raciocínio intuitivo de que a agua mais quente teria de percorrer uma distância termométrica maior que a água fria (ambas à mesma velocidade) até atingir o ponto de congelação a zero graus Célsius.

“A água dificilmente congela a zero graus”, afirma Brownridge que acrescenta: “É geralmente sobre arrefecida e só começa a congelar a uma temperatura inferior”.


Impurezas determinantes

 
 

O ponto de congelamento depende das impurezas da água de que depende a formação de cristais de gelo. Normalmente, a agua pode conter vários tipos de impurezas, desde partículas de poeira a sais e bactérias, cada uma das quais desencadeia a congelação a uma temperatura característica.

As impurezas com maior temperatura nuclear determinam a temperatura a que a água vai congelar.

James Brownridge, que fez grande parte das experiências como passatempo, começou com duas amostras de água à mesma temperatura (água morna a 20 graus) que colocou em tubos de ensaio e arrefeceu-os no congelador. Um presumivelmente congelará primeiro, devido à aleatória concentração de impurezas.

Se a diferença for suficientemente grande, o efeito Mpemba irá aparecer. Brownridge seleccionou a amostra com maior temperatura de congelamento natural para aquecer a 80 graus célsius e deixou a outra à temperatura ambiente e posteriormente colocou os tubos de ensaio novamente no congelador.

“A água quente vai congelar sempre mais rapidamente do que a água fria se o seu ponto de congelamento for pelo menos acima dos cinco graus célsius”, afirmou o investigador.

Pode parecer surpreendente que os cinco graus façam tanta diferença, quando a amostra mais quente começa 60 graus atrás na corrida. Contudo, quanto maior for a diferença de temperatura entre um objecto e o meio em que está inserido − neste caso o congelador − mais rápido é o arrefecimento.

Ponto de congelamento

Deste modo, a amostra quente vai arrefecer muito mais rápido, atingindo o seu ponto de congelamento aos dois graus negativos, por exemplo, muito antes da água fria que congela a partir dos sete negativos.

Porque é que mais ninguém reparou nisto antes? Brownridge afirma que as outras pessoas não controlaram as condições da experiencia para estudarem um factor de cada vez. É necessário controlar, por exemplo o tipo de recipiente ou a localização das amostras no congelador.

Mas desengane-se quem pensar que este trabalho encerra o debate de Mpemba.

Jonathan Katz, da Universidade de Washington tem outra teoria: o aquecimento aumenta o ponto de congelamento da água por retirar os solutos como o dióxido de carbono. Isto significa que o aquecimento da água realmente aumenta as probabilidades de congelar primeiro, ao contrário dos resultados aleatórios sugeridos por Brownridge. “Talvez ele tenha encontrado um efeito de arrefecimento semelhante a Mpemba”, conclui Katz.

Ciência Hoje 28/03/2010