Perché l'acqua calda raffredda prima dell'acqua fredda

Un oggetto caldo può congelarsi più in fretta di uno freddo, dimostrando come il raffreddamento è un processo più complicato di quanto sembri. Quando un sistema caldo raffredda, l'aumento di velocità nel processo può essere addirittura esponenziale rispetto ad uno a temperatura più bassa.

L'esperimento è stato ispirato dai report sull'effetto Mpemba, l'effetto controintuitivo per cui l'acqua calda, a volte, congela più velocemente di quella fredda. Gli studi su questo fenomeno sono stati ostacolati dalla complessità dell'acqua e dei processi di congelamento, impedendo agli scienziati di dire che cosa causa questo effetto o, addirittura, se esista realmente.

Per superare queste difficoltà, Avinash Kimar e John Bechhoefer, della Simon Fraser University in Canada, hanno utilizzato delle piccole perle di vetro, con 1.5 micrometri di diametri, al posto dell'acqua. I ricercatori hanno studiato l'effetto Mpemba rispetto al raffreddamento invece che al più complesso congelamento.

Durante l'esperimento, una singola perla rappresentava una molecola d'acqua e le misure sono stare ripetute oltre 1.000 volte. Un laser esercita una forza su ogni perlina, riproducendo l'effetto di un potenziale sul sistema, contemporaneamente una riserva d'acqua raffredda il sistema. La temperatura effettiva è data dalla combinazione degli effetti del potenziale e dell'impatto del laser sulle singole sfere.

Per studiare il raffreddamento del sistema i ricercatori hanno osservato il movimento delle perle nel tempo. Quest'ultime iniziano con alte o moderate temperature e gli scienziati hanno misurato il tempo che ci mettono a raggiungere la temperatura dell'acqua: sotto determinate condizioni, le sfere che partono da una temperatura più calda raffreddano più velocemente, a volte in maniera esponenziale.

La logica vorrebbe che un oggetto più caldo, dato che prima deve raggiungere la temperatura di quello tiepido, raffreddi più lentamente. Ma questo semplice ragionamento non è sempre valido: quando si tratta di sistemi non in equilibrio termico le cose non sono così semplici. "Quando un sistema non è in equilibrio termico, il suo comportamento non è caratterizzato dalla sola temperatura," spiega Bechhoefer. Quando le perline raffreddano, la struttura del potenziale permette la presenza di scorciatoie, come se un uomo partisse più lontano rispetto a un altro ma il suo percorso gli facesse evitare una grande montagna.

Lu e il fisico Oren Raz avevano già predetto l'esistenza di queste scorciatoie, tuttavia non sanno se le loro conclusioni si possano applicare all'acqua: il suo comportamento è molto complesso perché dobbiamo includere le impurità, l'evaporazione e le diverse strutture molecolari.

Tuttavia la semplicità dello studio è parte della sua bellezza: "è un setup molto semplice ma sufficientemente ricco da presentare questo effetto," spiega Marija Vucelja dell'Università della Virginia. "Immagino che questo effetto appaia più spesso, ma semplicemente non abbiamo prestato abbastanza attenzione."