Efeito Mpemba: Porque é que a água quente congela mais rápido do que a fria (e a física por trás disso)

One evening de inverno, abre o congelador, coloca dois tabuleiros de água lado a lado e fecha a porta com aquele baque suave e borrachoso. Um tabuleiro está quente, a deitar ligeiro vapor enquanto embacia o ar frio; o outro está perfeitamente fresco, acabado de sair da torneira. Volta mais tarde, à espera de que o fresco seja o primeiro a ficar gelado. É assim que o mundo funciona, certo? As coisas frias congelam primeiro. Só que… às vezes não. Às vezes o tabuleiro que entrou quente transforma-se em gelo mais depressa, como se a física tivesse decidido pregar-lhe uma partida. Fica a olhar, toca na superfície coberta de geada e sente aquela faísca de irritação: isto não faz sentido. Ou, pelo menos, parece que não faz. E depois de o ver acontecer, já não consegue largar a ideia.

O rapaz que disse ao professor que o universo estava errado

A história começa em 1963, numa cozinha escolar na Tanzânia. Um adolescente chamado Erasto Mpemba estava a fazer gelado numa aula de economia doméstica - daquelas em que se está meio a ouvir e meio a sonhar acordado com outra coisa qualquer. A receita dizia que era preciso esperar que a mistura de leite fervido arrefecesse antes de a pôr no congelador. Mpemba tinha pressa. Por isso, enfiou a mistura quente diretamente lá para dentro, provavelmente a contar que a professora não desse por isso.

Quando voltou, algo pareceu estranho. A sua mistura quente tinha congelado antes das outras, que tinham sido deixadas a arrefecer como mandava a regra. E não foi um acaso; viu aquilo acontecer mais do que uma vez. Quando disse ao professor de Física que a água mais quente podia congelar mais depressa do que a mais fria, riram-se dele. Os colegas gozam com ele. A Física, pensavam, já estava resolvida. Uma experiência de gelado feita por um aluno não ia reescrevê-la.

Anos depois, conheceu um físico visitante, Denis Osborne, e repetiu a afirmação. Em vez de se rir, Osborne testou-a. Com cuidado, método, medições a sério - em vez do caos de uma cozinha escolar. Descobriu que, sob certas condições, Mpemba tinha razão. O efeito ganhou um nome: o Efeito Mpemba. Um rapaz a quem disseram que estava errado “de acordo com o livro” obrigou o livro a admitir uma pequena e estranha exceção.

Há algo profundamente satisfatório nisso. A ideia de que o universo tem estas teimosias discretas, que aparecem em sítios banais: um congelador, uma cozinha, uma bola de gelado meio derretida num tabuleiro de metal.

Então… como é que água quente pode congelar mais depressa?

A um nível instintivo, isto soa ridículo. A água fria já está mais “perto” de congelar; a água quente tem de arrefecer mais. O senso comum diz que a fria deve ganhar sempre. Se isto fosse uma pergunta de teste na escola, assinalava “a água fria congela mais depressa” sem hesitar e seguia em frente. Sem drama. Sem dúvida.

Mas o mundo raramente é tão limpo e linear como os problemas da sala de aula. Quando a água real arrefece, não se comporta como um termómetro certinho num manual. Evapora, move-se, interage com o recipiente, com o ar e com as manias exatas do seu congelador. Todos esses efeitos pequenos começam a contar. Não reescrevem as leis da termodinâmica, mas torcem o caminho que a água percorre até virar gelo.

A verdade surpreendente é que a Física nunca disse que isto não podia acontecer. A nossa ideia simplificada de “o quente tem de demorar mais a ficar frio” ignora muitos pormenores confusos. Quando se olha para esses pormenores, abre-se a porta a resultados estranhos. Não sempre, não em todas as condições, mas o suficiente para ser real. O suficiente para baralhar pessoas inteligentes durante décadas.

Os truques invisíveis: evaporação, movimento e memória

Água que desaparece no ar

A explicação mais intuitiva é também a mais simples: a água quente evapora mais. Imagine uma caneca a fumegar; aquela névoa é água - moléculas a abandonar fisicamente o líquido. Quando a água quente é colocada no congelador, parte dela desaparece como vapor, sobretudo no início. Assim, o recipiente quente pode acabar com menos água para congelar do que o recipiente fresco ao lado.

Menos água significa menos massa para arrefecer e congelar. Portanto, apesar de a água quente ter mais temperatura a perder, pode ganhar a corrida simplesmente porque sobra menos líquido para solidificar. É como dois corredores a começar em pontos diferentes de uma pista, mas um acaba por ter de correr uma distância menor. O problema é que esta explicação não resolve tudo. Em muitas experiências, os volumes iniciais são controlados e ajustados, e mesmo assim o efeito por vezes aparece.

Pequenas correntes e caos em espiral

Outra peça do puzzle está dentro da própria água. A água quente mexe-se. À medida que arrefece, a água mais quente sobe e a mais fria desce, criando correntes de convecção. Estes redemoinhos misturam o líquido e espalham o calor de forma mais uniforme. A superfície perde calor para o ar frio, a água de baixo substitui-a, e o processo continua a agitar.

A água fresca faz isto de forma menos dramática. Pode formar camadas a temperaturas diferentes que não se misturam muito bem. Essa estratificação atrasa a perda de calor, porque só a camada de cima está em verdadeiro contacto com o ar mais frio. Em algumas configurações, isto significa que a água quente pode libertar calor mais rapidamente por apresentar constantemente “nova” água quente à superfície para ser arrefecida.

É como mexer a sopa para ela arrefecer mais depressa - sem nunca pegar na colher. A água mexe-se sozinha e essa auto-mistura pode, sob certas condições, permitir que a amostra mais quente ultrapasse a mais fria no caminho até ao congelamento.

O papel estranho dos recipientes e do ambiente

Gostamos de pensar que a água é a estrela desta história, mas o elenco secundário importa tanto quanto ela. O recipiente, a prateleira do congelador, a circulação de ar, até a geada nas paredes. Quando se deita água quente num recipiente, o recipiente aquece também. Se o colocar numa prateleira metálica do congelador, pode derreter momentaneamente uma película fina de gelo por baixo, criando melhor contacto com a superfície fria.

Melhor contacto significa transferência de calor mais eficiente. Um tabuleiro pode ficar assente sobre uma “almofada” de geada que o isola, enquanto o outro fica mais diretamente encostado ao metal frio. Nessas condições, a água mais quente “hackeou” acidentalmente o sistema do congelador. O ambiente reorganiza-se ligeiramente à sua volta. A amostra mais fria, que nunca perturbou o seu entorno, acaba por arrefecer mais devagar.

Sejamos honestos: ninguém mede a espessura da geada nas prateleiras antes de lá pôr tabuleiros de gelo. Batemos a porta e esperamos que a física seja limpa e previsível. No entanto, estes detalhes minúsculos e aborrecidos - contacto com a prateleira, fluxo de ar, até a porta aberta durante alguns segundos - podem ser suficientes para inclinar a corrida.

Sobrefusão: quando a água finge que ainda não é gelo

Uma das partes mais discretamente fascinantes desta história chama-se sobrefusão (supercooling). Às vezes a água não congela a 0°C, mesmo quando tecnicamente podia. Em vez disso, arrefece abaixo do ponto de congelação e mantém-se líquida, como se estivesse a ignorar as regras, à espera de um “gatilho” - uma impureza minúscula, um toque, um pouco de pó - para, de repente, cristalizar em gelo.

A água fresca tem mais probabilidade de entrar neste estado de sobrefusão. A água quente, por ter sido fervida ou aquecida, muitas vezes perde parte dos gases dissolvidos e tem a sua estrutura “mexida”. Isso pode alterar a forma como os cristais de gelo começam a formar-se. Em algumas experiências, a amostra que começou mais quente começa a congelar a uma temperatura ligeiramente mais alta, enquanto a mais fria desce mais, escondida num limbo de sobrefusão.

Assim, pode acontecer um cenário bizarro, quase poético: a água que fez tudo “bem”, que ficou calma e fresca, é a que adia o congelamento. A água mais inquieta, que esteve quente, assenta primeiro. O universo tem um certo gosto por ironias quando se olha com atenção suficiente.

A água “lembra-se” de ter estado quente?

A esta altura, é tentador imaginar a água com memória - a reter algum eco do calor anterior. Alguns cientistas falaram, de facto, de alterações estruturais na água - a forma como as ligações de hidrogénio se formam e se desfazem entre moléculas - como parte do quadro. Quando aquece a água, perturba essas redes; ao arrefecer, elas voltam a formar-se, mas talvez não exatamente da mesma maneira que se formariam se a água nunca tivesse sido aquecida.

A ideia não é que a água se torne mágica ou consciente, mas que a sua estrutura microscópica depois de aquecida possa mudar a facilidade com que os cristais de gelo começam a crescer. Diferenças nos gases dissolvidos, impurezas e pequenos “aglomerados” de moléculas podem alterar as condições iniciais do congelamento. É incrivelmente difícil observar isto diretamente. Está-se a lidar com rearranjos fugazes dentro de um copo de água aparentemente simples.

Os investigadores discutem isto há anos. Algumas experiências mostram efeitos Mpemba claros; outras não. As montagens mudam, as definições deslizam, as condições variam. O efeito é real no sentido em que foi observado. As razões vivem numa interseção confusa entre termodinâmica, dinâmica de fluidos e a estranha vida social das moléculas de água.

Porque é que o seu congelador nem sempre colabora

Todos já tivemos aquele momento em que um facto científico nos vem à cabeça e dá vontade de o testar. Talvez agora lhe apeteça: pegar em dois copos, um com água quente e outro com água fria, metê-los no congelador e resolver isto de vez. O mais provável é que os resultados sejam… inconclusivos. Talvez não aconteça nada de especial. Talvez a água fria ganhe na mesma. Talvez tudo pareça um disparate.

Isso acontece porque o Efeito Mpemba não é um truque garantido. Só aparece sob combinações específicas de condições: temperaturas particulares, formatos de recipientes, tipo de água e manias do congelador. Mude um pouco a montagem e ele pode desaparecer. Os cientistas detestam este tipo de inconsistência. Dá maus gráficos, artigos confusos e discussões em conferências.

A verdade desconfortável é que a natureza não nos deve clareza a pedido. Alguns fenómenos só se revelam nas margens, naquela zona desconfortável entre a teoria e o mundo real. O Efeito Mpemba é uma dessas coisas: não é mito, não é uma lei universal - é apenas uma pequena ruga teimosa na forma como a água se comporta numa terça-feira à tarde, em circunstâncias muito específicas.

O que os físicos concordam (e o que ainda incomoda)

A maioria dos físicos hoje diria que o Efeito Mpemba é “plausível, mas sensível”. O quadro geral é relativamente claro: evaporação, convecção, interações com o recipiente e sobrefusão têm todos um papel. O desafio é entrelaçar tudo isso numa teoria limpa e preditiva, aplicável em qualquer lugar. Essa teoria elegante ainda não está completamente fechada.

Estudos grandes e simulações computacionais sugerem que diferenças na forma como a água se move e perde calor podem, matematicamente, permitir que uma amostra mais quente ultrapasse uma mais fria no caminho até ao congelamento. Experiências registaram isso a acontecer. Ao mesmo tempo, outros testes cuidadosos não conseguiram reproduzir o fenómeno de forma fiável. O efeito parece aparecer e desaparecer, como algo apanhado pelo canto do olho.

Para muitos cientistas, isso é ligeiramente irritante. A Física orgulha-se de regras nítidas e universais. Quando uma substância doméstica tão simples como a água se comporta de forma confusa e dependente do contexto, belisca esse orgulho. Talvez isso nos faça bem. Talvez precisemos desses lembretes de que, mesmo em 2025, ainda discutimos como é que a água congela.

Porque é que este pequeno mistério toca num nervo

Parte da razão pela qual o Efeito Mpemba fascinou tanta gente é que soa a metáfora. No papel, o mundo é lógico, linear, previsível. Na prática, coisas que começam mais quentes podem arrefecer mais depressa. Pessoas que parecem à frente ficam para trás; quem começa a lutar pode, de repente, dar um salto. A nossa intuição - tal como a Física escolar - é muitas vezes demasiado arrumada para a desordem real da realidade.

De pé em frente a um congelador a zumbir, a olhar para dois tabuleiros de gelo, está a ver mais do que água congelada. Está a ver como fatores pequenos e escondidos podem inverter um resultado. Um pouco de geada aqui, um redemoinho de convecção ali, um momento de sobrefusão algures no meio. Nada disso parece dramático por fora. E, no entanto, o desfecho é surpreendente o suficiente para pôr o nome de um adolescente nos livros de Física.

E talvez essa seja a parte silenciosamente humana desta história. Um rapaz que se recusou a largar algo estranho que viu numa cozinha escolar. Um mundo que, com o tempo, teve de admitir que ele não estava a imaginar. Da próxima vez que encher um tabuleiro de gelo e ouvir o estalido ténue da água a transformar-se em gelo, talvez sinta de novo aquela comichão de curiosidade - e se pergunte que mais, na sua vida e no universo, não se comporta exatamente como lhe disseram que devia.