¿Por qué el agua caliente se congela más rápido que el agua a temperatura ambiente?

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pero lo mas importante es que muestra que como una sola explicación no puede ser suficiente.

El fenómeno al que se refiere la pregunta se le conoce como efecto Mpemba y ha sido observado desde hace milenios [1]. Pero fue hasta 1969 cuando la ciencia moderna describió el fenómeno de manera formal por un estudiante de preparatoria en Tanzania llamado Mpemba.

Persona lanzando agua caliente al aire, en pocos segundos se congela el agua.

El fenómeno se describe así:

Toma dos contenedores exactamente iguales en forma y volumen, llena ambos con la misma cantidad de agua y enfríalos usando exactamente el mismo método de enfriamiento. La única diferencia es la temperatura promedio del agua de cada contenedor.
Bajo ciertas condiciones el agua caliente se congelara primero, es necesario que la diferencia de temperatura entre ambos recipientes sea considerable.

Suena bastante contraintuitivo, mas aun si lo piensas de la siguiente manera: Si un objeto a 30 °C tarda 10 minutos en congelarse entonces una sustancia a 80 °C necesitara mas de 10 minutos para alcanzar 0°C porque este último tiene mayor energía en sus moléculas.

Lo cual no es del todo cierto, la temperatura promedio no es la única variable que afecta al cambio de estado. Por ejemplo el agua a 80°C pierde masa por el vapor de agua liberado a la atmósfera, puede tener menos gases disueltos o por procesos de convección la distribución de temperatura no es uniforme.

Las observaciones experimentales han sido concluyentes: el efecto Mpemba existe, pero la explicación del por qué ocurre no ha sido completamente aceptada. La razón de esto es que muchas explicaciones son basadas en una sola observación e ignorando todos los trabajos anteriores.

Aquí escribo varias explicaciones al respecto.

La primera es debido a la evaporación:

Debido a que el agua caliente libera vapor al ambiente al ser enfriado hay una menor cantidad de agua que necesita ser congelada, por lo cual el contenedor se congelara mas rápido.[2] Esta es una de las principales explicaciones, pero no significa que sea la única ni que sea "la" explicación. Varios experimentos han mostrado que la evaporación por si sola no es la única causa del fenómeno.

La segunda explicación se debe a los Gases disueltos:

Una segunda explicación, se basa en la cantidad de gases disueltos en el vaso de agua caliente disminuye y por lo tanto cambia las propiedades de conductividad del calor, con lo cual es mas sencillo congelar el agua. Aún así hay otros experimentos que muestran que no hay diferencia apreciable si el agua tiene o no gases disueltos. [3]

Esto nos lleva a la tercera explicación, Convección:

Cuando se enfría un objeto, la distribución de calor no es uniforme por lo cual hay una diferencia de temperaturas apreciables y como el agua caliente es menos densa que el agua fría se crea un flujo de agua que "sube" a la zona mas fría y otra que "baja" a la zona caliente

• 1. Aristotle in E. W. Webster, "Meteorologica I", Oxford U. P., Oxford, 1923, pgs 348b–349a
• 2. G.S. Kell, "The Freezing of Hot and Cold Water", American Journal of Physics, 37, #5, pgs 564–5 (May 1969)
• 3. D. Auerbach, "Supercooling and the Mpemba effect: When hot water freezes quicker than cold", American Journal of Physics, 63, #10, pgs 882–5 (Oct 1995)