Perché l’acqua calda congela prima della fredda

Dire che l’acqua calda congela prima di quella fredda sembra un errore di misura, non un fatto. Eppure in una scuola secondaria di Tanga, in Tanzania, un ragazzo di tredici anni chiamato Erasto Mpemba lo vide accadere sotto i suoi occhi mentre preparava un gelato fatto in casa per un progetto scolastico. Non aveva tempo di aspettare che il latte bollito si raffreddasse prima di metterlo nel congelatore, così lo infilò dentro ancora caldo. Il suo gelato si solidificò prima di quello dei compagni, preparato con latte già freddo. Quando lo raccontò all’insegnante, si sentì rispondere che si trattava di “fisica confusa”, non di fisica vera. Aveva ragione lui. Oggi quell’osservazione ha un nome, effetto Mpemba, e resta uno dei pochi casi in cui il liquido più caldo taglia il traguardo del ghiaccio prima di quello freddo.

L’acqua calda congela prima: un’osservazione più vecchia di Mpemba

Il fenomeno non nasce nel 1963, quando Mpemba lo segnalò formalmente insieme al fisico Denis Osborne, che accettò di verificarlo invece di liquidarlo come un errore da studente. Aristotele lo descrisse già nel IV secolo a.C. parlando di acqua preriscaldata che gela più in fretta di quella lasciata fredda. Francesco Bacone e Cartesio annotarono osservazioni simili nei loro scritti scientifici, secoli prima che qualcuno provasse a misurarlo con un termometro invece che a occhio.

Il punto è che l’osservazione, presa da sola, contraddice il buon senso termico: un liquido più caldo dovrebbe impiegare più tempo a raggiungere gli zero gradi, non meno, perché parte più lontano dal traguardo. Eppure in condizioni particolari il sorpasso avviene davvero, ed è stato ripetuto in laboratorio abbastanza volte da non poter essere liquidato come un errore isolato.

Perché la scienza non riesce ancora a chiuderla?

Le ipotesi sul tavolo sono diverse e nessuna, da sola, spiega tutti i casi osservati. L’acqua calda evapora di più mentre si raffredda, perdendo massa: meno liquido da congelare significa meno tempo necessario. L’acqua fredda, al contrario, trattiene più gas disciolti, che abbassano leggermente il punto di congelamento e rallentano il processo. C’è poi la convezione: nel contenitore caldo si formano correnti interne più forti, che distribuiscono il calore verso l’esterno in modo più efficiente di quanto accada in un liquido già uniformemente freddo.

Il problema del termometro

Nel 2016 un gruppo dell’Università di Nottingham, guidato da James Burridge e Paul Linden, ha pubblicato uno studio che ha complicato ulteriormente le cose: variando di pochi millimetri la posizione del termometro dentro il contenitore, l’effetto appariva, spariva o addirittura si invertiva. Una parte delle osservazioni storiche, secondo loro, potrebbe derivare non da un fenomeno fisico reale ma da come e dove viene misurata la temperatura. Come racconta Quanta Magazine, i fisici continuano comunque a discuterne, perché altri esperimenti, condotti con protocolli diversi, hanno mostrato il sorpasso in modo abbastanza stabile da escludere il solo errore sperimentale.

La difficoltà, in fondo, è che l’effetto Mpemba non è un singolo fenomeno ma un’etichetta usata per almeno tre situazioni diverse: due contenitori identici con acqua a temperature diverse messi nello stesso congelatore, due campioni con la stessa massa iniziale ma volumi diversi dopo l’evaporazione, oppure due liquidi con composizione chimica leggermente differente per via dei gas disciolti. Confrontare risultati ottenuti in condizioni così distinte, con strumenti diversi, spiega perché due gruppi di ricerca possano pubblicare conclusioni opposte usando lo stesso nome per esperimenti che, a rigore, non sono lo stesso esperimento.

Un dettaglio che ribalta l’intuizione

La cosa più curiosa è quanto poco basti per far scattare o sparire l’effetto: una differenza di appena due o tre gradi nel punto di partenza, o pochi millilitri di volume in più in un contenitore rispetto all’altro, possono ribaltare il risultato. Nessuna soglia fissa, nessuna regola che valga sempre. Ogni laboratorio che ripete l’esperimento con condizioni leggermente diverse rischia di ottenere una risposta diversa da quella del laboratorio accanto.

Mpemba, che divenne poi guardia forestale in Tanzania, ha continuato per anni a essere citato negli articoli scientifici che portano il suo nome senza aver mai pubblicato altro su questo argomento: la sua unica intuizione, nata da un gelato lasciato troppo caldo nel congelatore, resta ancora oggi un problema aperto sui tavoli dei fisici. Un ragazzo di tredici anni aveva ragione, e ci sono voluti decenni di laboratori attrezzati per cominciare a dargliela.