O paradoxo que desafia a física: o mistério da água quente congelar primeiro que a água fria

E se aquilo que consideramos óbvio nem sempre for verdade? Na cozinha, no laboratório ou em um lago congelado, a água continua guardando segredos que intrigam até mesmo a física moderna.

Um dos mais intrigantes é este: sob certas condições, a água quente pode congelar mais rápido do que a água fria. Um paradoxo tão contraintuitivo que, durante séculos, foi descartado como um erro. Até que a ciência teve que ceder às evidências.

Ciência versus intuição: o mistério do congelamento da água quente

Esse comportamento aparentemente impossível é conhecido como efeito Mpemba, em homenagem a Erasto Mpemba, um estudante tanzaniano que, em 1963, observou que uma mistura quente para fazer sorvete congelava mais rápido do que uma mistura mais fria.

Hoje sabemos que o efeito Mpemba é real, mas também condicional: não ocorre sempre, nem em todas as circunstâncias. Depende de diversas variáveis, como a temperatura inicial, o tipo de recipiente, o ambiente, a composição da água e até mesmo o método de resfriamento. É precisamente essa complexidade que o torna um desafio científico em aberto.

O que é exatamente o efeito Mpemba?

De forma simplificada, o efeito Mpemba descreve a situação em que uma amostra de água inicialmente mais quente atinge o estado sólido antes de uma mais fria, quando ambas são submetidas às mesmas condições de congelamento. Isso não significa que a água mais quente esfria mais rápido em todos os momentos, mas sim que ela atinge o ponto de congelamento mais cedo.

Esse fenômeno não viola as leis da termodinâmica, mas destaca que os processos de transferência de calor e as mudanças de fase na água são muito mais complexos do que os modelos básicos sugerem.

A evaporação é um dos fatores: menos água para congelar, menos tempo necessário

Uma das hipóteses mais frequentemente citadas é a evaporação. A água quente evapora mais rapidamente, reduzindo sua massa total. Menos água significa que menos energia é necessária para congelá-la, o que poderia acelerar o processo.

No entanto, essa explicação por si só é insuficiente: o efeito Mpemba também foi observado em recipientes fechados, onde a evaporação é mínima. Portanto, embora relevante, não explica todos os casos.

Outra linha de pesquisa concentra-se nas correntes de convecção. Em água quente, o calor é redistribuído de forma mais eficiente: a água mais quente sobe e a água mais fria desce, facilitando uma perda de energia mais rápida e uniforme.

Em contraste, a água inicialmente fria pode desenvolver camadas térmicas mais estáveis que retardam a dissipação de calor. Essa diferença na dinâmica interna do líquido pode influenciar significativamente o tempo de congelamento.

Como a perda de gases e mudanças moleculares influenciam o gelo

A água contém gases dissolvidos, como oxigênio e dióxido de carbono, cuja quantidade diminui quando aquecida. Alguns estudos sugerem que um menor teor de gases pode alterar a forma como os cristais de gelo se formam, promovendo um congelamento mais rápido.

A isso se soma a complexa estrutura molecular da água, com ligações de hidrogênio que se alteram de acordo com a temperatura. O aquecimento da água pode modificar essa rede interna de tal forma que, ao resfriar, ela se reorganiza mais facilmente em uma estrutura sólida.

Longe de ser completamente compreendido, o efeito Mpemba continua sendo objeto de intensa pesquisa. Experimentos recentes mostram que, em condições controladas, até 10 %–15% das amostras de água quente congelam mais rapidamente do que as de água fria, dependendo de fatores como a pureza da água, o tipo de recipiente e a temperatura inicial.

Não existe uma única teoria que explique todos os casos, e os cientistas concordam que se trata de um fenômeno multifatorial, resultante da interação entre evaporação, convecção e alterações na estrutura molecular.