El efecto Mpemba: ¿por qué la leche caliente se congela antes que la fría?

Las ciencias físicas son apasionantes. Con ellas, el ser humano intenta descubrir el mundo que le rodea, poder interpretarlo, comprenderlo, deducir las leyes que rigen su comportamiento. A veces esas leyes parecen estar en contradicción unas con otras o, por qué no, con nuestra intuición. En ese caso, el método científico se impone y hay que analizar los problemas con objetividad para descubrir como lo más simple suele estar detrás de las malas interpretaciones; pequeñas cosas que no hemos tenido en cuenta, diferencias sutiles entre distintos experimentos. Por eso, el científico tiene que ser una persona de mente abierta, que nunca da nada por sentado.

La historia de Erasto Mpemba (nacido en 1950) es la historia de la perseverancia, es la historia del método científico, de la curiosidad insaciable y el no dar nada por sentado. La historia de Erasto Mpemba se inicia en el instituto de secundaria Magamba, en Tanzania, donde Erasto era un estudiante más, eso sí, que tenía que aguantar las bromas de alumnos y profesores debido a una pregunta a la que nadie era capaz de dar respuesta. Sería el año 1963 cuando Erasto cursaba tercer curso de instituto. Como otros muchos alumnos, Mpemba hacía helados para combatir el calor. Hervían leche, la mezclaban con azúcar y esperaban a que se enfriara para meter el recipiente en el frigorífico. Lo hacían así para no dañar el refrigerador, pues sabían que introducir elementos calientes podría estropearlo.

La competencia por hacer helados era feroz. Tan grande era que en una ocasión Mpemba no pudo resistirse a esperar a que la leche se enfriara y la introdujo hirviendo para no arriesgarse a perder el hueco en el refrigerador. Para su sorpresa, su helado estuvo listo antes que los demás, que habían introducido sus respectivos recipientes a una temperatura mucho menor ya que habían esperado a que se enfriase. Mpemba se extrañó de sus resultados y decidió preguntar a conocidos que hacían helados en la ciudad. Todos le dijeron lo mismo: no esperaban a que la leche se enfriara porque era de todos conocido que el helado se congelaba antes si el recipiente se metía hirviendo en el refrigerador. 

Para Mpemba aquello carecía de sentido, así que decidió preguntarle a su profesor de física. Delante del resto de compañeros, Mpemba lanzó la pregunta al profesor y éste dio una respuesta que ningún profesor de física debe dar jamás: “estás equivocado. ¿No has entendido nada de la ley de enfriamiento de newton? La ley de Newton dice que el ritmo al que un cuerpo cambia de temperatura es proporcional a la diferencia entre la temperatura del cuerpo y el medio que lo rodea”. Para Newton, si introducíamos en el refrigerador dos recipientes de leche, uno a 100ºC y otro a 35ºC, el primer recipiente se enfría más rápido que el segundo, pero tardaría un tiempo en llegar a los 35ºC, por lo que siempre tardaría más en enfriarse: lo que tarde desde 100 a 35 y lo que tarde de 35 a cero, que es lo que tardaría el segundo recipiente.

Todos, incluido Mpemba, veían la lógica de la física de Newton: si un cuerpo está muy caliente, perderá calor muy rápidamente, pero a medida que se vaya enfriando, el ritmo se irá frenando y cada vez tardará más en ir bajando la temperatura. Pero aquello estaba en contradicción con la experiencia de Mpemba, así que volvió a preguntarle al profesor cómo era posible entonces que los helados se hicieran antes si la leche estaba hirviendo. A lo que el profesor respondió: esa es la física de Mpemba. Desde entonces, cada vez que Mpemba cometía un error en clase, todos decían que era la física o la matemática de Mpemba.

La vida siguió y un tiempo después el profesor Denis Osborne, de la University College Dar es Salam, fue invitado a dar una conferencia al instituto de Mpemba. Cuando llegó el turno de preguntas, Mpemba le lanzó la pregunta al doctor Osborne. Este se mostró extrañado pero, en vez de negar la cuestión de Mpemba, le preguntó si lo había probado. Mpemba le dijo que sí, que tenía mucha experiencia en ello porque fabricaba helados y siempre era así. El profesor le dijo que desconocía el hecho y el motivo pero que en cuanto regresara a su Universidad haría un experimento. A todo esto, los compañeros de Mpemba se quejaron de que Mpemba les dejaba en ridículo delante de una eminencia como el doctor Osborne.

Y cumplió lo prometido. El profesor Osborne pidió a uno de sus ayudantes que hiciera el experimento. Éste tomó sendos recipientes de 50 centímetros cúbicos. Uno lo llenó con agua hirviendo a 100ºC. El otro con agua a 35ºC. Ambos fueron metidos en el refrigerador del laboratorio a la vez y apoyados sobre un soporte de poliestileno expandido para que no tomara contacto el recipiente con el fondo helado del refrigerador. El resultado fue el predicho por Mpemba: el recipiente hirviendo se congeló antes que el frío.

Tras aquella primera prueba, el profesor hizo otras muchas para entender donde estaba el problema en relación con la ley de enfriamiento de Newton. En una de ellas, por ejemplo, echó aceite en la superficie del líquido y comprobó que, aunque el resultado fue el mismo, la congelación tardó muchas horas. Con esto había comprobado que la mayor contribución al enfriamiento del agua estaba en el calor que escapaba por la superficie del recipiente.

Osborne y Mpemba se volvieron a encontrar en 1969 y trabajaron juntos en un artículo publicado en la revista Physics Education que describía el efecto Mpemba y cómo se conocieron Mpemba y Osborne, además de un conjunto de experimentos realizados por estudiantes de segundo año de universidad, supervisados por Osborne. En los experimentos se utilizaron contenedores de pirex de 70 centímetros cúbicos de agua sobre una espuma de poliestileno que aseguraba su aislamiento con la base del frigorífico. Los resultados fueron inequívocos: cuando la temperatura inicial del agua era de 20ºC, tardaba 100 minutos en congelarse, mientras que si el agua estaba inicialmente a 85ºC, se congelaba en 30 minutos.

Hoy, décadas después de aquellos experimentos y tras otros muchos experimentos que vinieron después, la cuestión sigue sin estar nada clara. El efecto está ahí, pero se desconoce la causa. Hay muchos factores que afectan al experimento: el volumen del recipiente, el tipo de agua, si tiene o no gases disueltos, minerales y otras impurezas… Se llegó a pensar que quizá fuera significativa la cantidad de líquido evaporado al estar tan caliente, de manera que luego, a 35ºC, la cantidad de líquido a enfriar era mucho menor, pero el profesor Osborne comprobó que esto no era cierto. Quizá Osborne tenga razón cuando afirma que la ley de Newton sólo es aplicable cuando el líquido tiene la misma temperatura en todo su volumen y en el caso del efecto Mpemba hay un gradiente de temperatura pronunciado que crea un movimiento de convección que quizá favorezca la pérdida de calor más rápidamente.

O quizá lo que ocurre tiene que ver con el “super enfriamiento”. Se han hecho experimentos que demuestran que cuando bajamos lentamente la temperatura del agua, ésta no congela a cero grados, sino que lo hace a temperaturas mucho más bajas. Por este método de enfriar lentamente el agua se ha llegado a conseguir tener agua líquida a 30 grados bajo cero. Eso sí, cualquier pequeña perturbación en ese momento causa la congelación inmediata de todo el volumen. En el caso del enfriamiento rápido cuando el líquido tiene una temperatura muy elevada, se ha comprobado que la congelación se producía a temperaturas mucho más cercanas al cero, como -1 ó -2 grados centígrados. Esto podría explicar que el agua hirviendo congelase antes.