Você coloca dois baldes de água descobertos, um contendo água quente e o outro contendo água fria, ao relento para um tempo com uma temperatura abaixo da temperatura de congelamento. Usualmente, o balde com a água quente começa a congelar primeiro. Por quê? O que acontece se os baldes forem cobertos?
Passo 1
O enunciado descreve o chamado “efeito Mpemba”: dois baldes idênticos, um com água quente e outro com água fria, são deixados descobertos ao relento a uma temperatura abaixo de 0 °C, e observa-se que, em certas condições, a água quente começa a congelar antes da água fria. O conteúdo aqui é transferência de calor e mecanismos de perda de energia térmica.
Passo 2
Evaporação: água quente evapora com maior intensidade. Cada grama de água que evapora leva embora calor latente de vaporização, reduzindo a massa de água que precisa congelar e acelerando o resfriamento do volume restante. Logo, a energia total a ser retirada até a solidificação é menor.
Convecção interna reforçada: a diferença grande de temperatura no balde quente gera correntes convectivas mais fortes, homogenizando a temperatura do líquido e evitando zonas quentes que retardariam o congelamento. Já a água fria, com menor gradiente, tem circulação mais fraca e esfria mais lentamente por convecção.
Super
adresfriamento distinto: água fria pura tende a se superresfriar (ficar abaixo de 0 °C sem formar cristais) mais facilmente do que água que já foi aquecida (com menos gases dissolvidos). Se a água quente sofre menos superresfriamento, ela pode começar a congelar logo ao atingir 0 °C, enquanto a fria aguarda nucleação em temperaturas ainda mais baixas.
Melhora na condução térmica com o solo: o balde com água quente pode derreter qualquer camada de gelo ou orvalho sob seu fundo, criando contato melhor com o chão frio e aumentando o fluxo de calor para fora. O balde com água fria não tem esse efeito de “limpeza” do isolamento natural do solo.
Convecção interna reforçada: a diferença grande de temperatura no balde quente gera correntes convectivas mais fortes, homogenizando a temperatura do líquido e evitando zonas quentes que retardariam o congelamento. Já a água fria, com menor gradiente, tem circulação mais fraca e esfria mais lentamente por convecção.
Super
adresfriamento distinto: água fria pura tende a se superresfriar (ficar abaixo de 0 °C sem formar cristais) mais facilmente do que água que já foi aquecida (com menos gases dissolvidos). Se a água quente sofre menos superresfriamento, ela pode começar a congelar logo ao atingir 0 °C, enquanto a fria aguarda nucleação em temperaturas ainda mais baixas.
Melhora na condução térmica com o solo: o balde com água quente pode derreter qualquer camada de gelo ou orvalho sob seu fundo, criando contato melhor com o chão frio e aumentando o fluxo de calor para fora. O balde com água fria não tem esse efeito de “limpeza” do isolamento natural do solo.
Passo 3
Se os baldes forem cobertos, a evaporação fica bloqueada e a convecção com o ar é reduzida. Assim, os dois baldes perdem calor quase apenas por condução estática e radiação, eliminando os principais fatores que favorecem o balde quente. Nesse caso, a água fria normalmente congelará primeiro, recuperando o comportamento intuitivo.
Resposta
A água quente congela antes devido a evaporação acentuada (que leva calor latente e diminui massa), convecção interna mais forte, menor superresfriamento e melhor contato térmico com o solo. Quando os baldes são cobertos, a evaporação e a convecção quase desaparecem e, então, a água fria passa a congelar primeiro.