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Por que razão a água quente congela mais depressa do que a fria?

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

2010-03-28
A água quente congela mais rápido do que a fria
A água quente congela mais rápido do que a fria
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 (ver caixa), 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

Ponto de congelamento raramente acontece aos 0ºC
Ponto de congelamento raramente acontece aos 0ºC
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.

O Efeito Mpemba
Este peculiar fenómeno tem uma longa história, mas foi na década de 60 que o efeito foi reconhecido pela ciência moderna, quando um estudante da Tanzânia chamado Erasto Mpemba, com 13 anos, disse ao seu professor de ciências que conseguia fazer gelados mais rápido do que o normal quando colocava a mistura ainda quente no congelador.

Inicialmente, houve muita relutância em aceitar o facto, mas o fenómeno foi confirmado e publicado.

Esta teoria pode explicar, por exemplo, o facto de nos países frios os canos de água quente congelarem antes dos de água fria.
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.


joão claudinei moreira
2010-03-29
10:28
Perdoa-me a ignorância mas suponho que com o aumento de temperatura, tb tem-se a diminuição da densidade molecular e com esta o aumento do fluxo de troca de temperatura com o ambiente primário . A água fria possui uma densidade maior o que dificulta essa troca. O contrário daquilo que passa com os materiais isolantes como poliuretanos e esferovite.
Antoscar de Lisboa
2010-03-29
19:41
Por muito que se saiba; sempre se aprende algo mais, como água normal em um litro, pesa um quilo. Mas a mesma água de um quilo: depois de congelada (em gelo) pesa menos de um quilo. O mesmo que cozinhar certos legumes; mesmo que um deles possa cozinhar mais rápido a pouco mais de 100 graus , e o deixando até outros legumes estarem cozinhados, assim não se desfazem esperando uns pelos outros.
Tiago Jules
2010-04-03
05:12
Concordo com o colega acima e sabendo que d = m/V e como a densidade da água fria é maior que a da água quente e a massa de água fria é um pouco menor,para a mesma quantidade,do que a de água quente e tomando a velha fórmula de Einsten onde : E = m c²,como m é um pouco menor,a energia também o será um pouco menor (até pelo próprio grau de agitação das moléculas) o que levará a um congelamento mais lento,dado que o reagrupamento das moléculas para formação dos cristais de gelo seguirá a mesma velocidade.
Angelo Sousa
2010-04-07
22:27
Perdoem-me também a ignorancia, mas se este fenómeno dependesse da densidade relativa, também outros fluídos seriam sujeitos a este mesmo fenómeno. A particularidade da àgua é que o seu comportamento contraria alguns principios da termodinâmica (como é exemplo do gelo ser menos denso que o àgua)... a àgua é o "Fluído de Deus".
Eduardo Haberbeck Brandao
2011-04-26
22:19
queridos amigos, gelo apresenta menor densidade do que a agua liquida devido ao arranjo molecular. notem que a agua se expande ao virar gelo. isso ocorre por que os cristais de gelo nao conseguem se organizar e acabam por deixar pequenos espacos entre as moleculas. apesar de acreditar em deus... isso nao eh milagre eh ciencia!
Marcos
2012-07-11
11:47
Um passo seria encontrar no tempo o ponto em que a "água quente" alcança o processo de congelamento da "água fria". Outro seria conseguir medir a "velocidade de congelamento" nos dois processos e verificar se existe "inércia" no processo.
Desculpem-me os cientistas sou só um criativo!
darlei lassig
2013-07-31
00:40
se fizer o experimento em temperaturas ambientes diferentes vai mudar alguma coisa?i aí cientistas?
paloma
2014-03-13
12:30
É MUITO BOM SABER DISSO,QUAL É Q CONGELA PRIMEIRO....
MUITO BOM FISICA.

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