¿Por qué el agua caliente se congela primero?

La gente suele pensar que si se colocan en el frigorífico un vaso de agua fría y un vaso de agua caliente al mismo tiempo, el agua fría se congelará rápidamente. Este no es el caso. Un día de 1963, en una escuela secundaria de Tanzania, África tropical, un grupo de estudiantes quería preparar unos alimentos congelados para refrescarse. Un estudiante llamado Erasto Mubimba añadió azúcar a la leche caliente y la preparó en el congelador para hacer helado. Pensó que si la leche caliente se enfriaba y se colocaba en el refrigerador, otros estudiantes llenarían el refrigerador, así que puso la leche caliente en el refrigerador. Poco después, abrió el refrigerador y echó un vistazo. Sorprendentemente, su taza de leche caliente se había convertido en un delicioso helado, mientras que el helado hecho por otros estudiantes con agua fría aún no se había congelado. Su descubrimiento no atrajo la atención de sus compañeros, pero se convirtió en el hazmerreír de ellos.

Le preguntó al profesor de física por qué la leche caliente se congelaba antes que la fría. La respuesta del maestro fue: "Debes estar equivocado, tal cosa no puede suceder". Más tarde, Mubimba ingresó a la escuela secundaria Mkwa en Iringa. Le preguntó al profesor de física: "¿Por qué se mete en el frigorífico la leche caliente y la leche fría al mismo tiempo y la leche caliente se congela primero?" La respuesta del profesor fue: "La respuesta que puedo darle es: debe estar equivocado. " Cuando continuó haciendo preguntas y hablando con el maestro discutiendo, el maestro se burló: "Este es el problema físico de Mubimba". Mubimba no pudo entenderlo, pero no se atrevió a contradecir al maestro. Finalmente llegó una gran oportunidad. El Dr. Osborne, jefe del Departamento de Física de la Universidad de Dar es Salaam, visitó la escuela y respondió a las preguntas de los estudiantes después de completar el informe académico. Mubimba se armó de valor para hacerle una pregunta: "Si tomas dos recipientes similares y pones el mismo volumen de agua, uno a 35°C y el otro a 100°C, y los metes al mismo tiempo en el frigorífico, el El agua a 100°C se congelará primero. ¿Por qué?" La respuesta del Dr. Osborne fue: "No lo sé, pero prometo que cuando regrese a Dar es Salaam, haré este experimento yo mismo". Como resultado, él y Su asistente realizó este experimento, que demostró que lo que dijo Mubimba era cierto. ¿Qué diablos está pasando?

Algunos científicos han realizado muchos experimentos para resolver el desconcertante misterio mencionado anteriormente y se sorprendieron al descubrir que las estructuras del hielo formadas por el agua a diferentes temperaturas iniciales son diferentes. Esto inspiró a los científicos a observar lo que sucede cuando el agua se congela. Los resultados son realmente diferentes. Cuando el agua fría se congela: el hielo queda rodeado de capas de congelación desde el exterior hacia el interior. El agua caliente forma principalmente hielo floculante por dentro y por fuera al mismo tiempo, y luego se congela rápidamente al mismo tiempo. Esto es suficiente para demostrar que cuando el agua fría se congela, el interior aún no ha alcanzado el punto de congelación. Debido a la fuerte convección, el agua caliente alcanza un punto de congelación tanto en el interior como en el exterior. Este tipo de agua todavía tiene convección cuando aparece hielo floculante, lo que puede provocar una disipación interna del calor con el tiempo, por lo que este tipo de agua se congela por completo primero. El hielo que finalmente se forma con el agua caliente es "hielo de rastrojo" dispuesto verticalmente hacia arriba y hacia abajo, lo que es evidencia física de que la convección vertical todavía existe después de la aparición del hielo floculento. La congelación del agua fría se produce gradualmente desde el exterior hacia el interior. Sólo cuando la temperatura de la capa exterior cae por debajo de 0°C puede comenzar a congelarse la capa interior. Cuando se congela, la conducción de calor es la principal forma de disipar el calor, por lo que lleva más tiempo de principio a fin.

Si la diferencia entre la temperatura inicial de dos tazas de agua y la temperatura del congelador es inferior a 20 °C, es difícil formar una convección fuerte durante el enfriamiento, por lo que la disipación de calor es principalmente transferencia de calor. De esta forma, cuando se enfrían dos tazas de agua al mismo tiempo, la temperatura inicial la inferior se congela primero. Si la diferencia entre la temperatura inicial de las dos tazas de agua y la temperatura del congelador es diferente, y sólo la taza de agua con la temperatura inicial más alta tiene convección fuerte, se puede formar hielo floculento, congelándose por dentro y por fuera al mismo tiempo. tiempo, y luego congelarse completamente primero. Si las temperaturas de dos vasos de agua son altas, el que tiene una temperatura inicial más baja formará primero hielo floculante y el que tiene una temperatura inicial más baja se congelará completamente primero. Por tanto, no es que cuanto mayor sea la temperatura, más rápida será la congelación, ni que cuanto más baja sea la temperatura, más rápida será la congelación.