Algumas décadas atrás, eu estava perifericamente envolvido com algumas pesquisas sobre as propriedades do sorvete feitas pela empresa Walls in the UK. O trabalho consistia em relacionar a consistência do sorvete com a microestrutura, portanto estava intimamente relacionado à sua pergunta.

De qualquer forma, o sorvete tem uma microestrutura surpreendentemente complicada. Contém cristais de gelo, solução de açúcar líquido, glóbulos de gordura e bolhas de ar (as proporções destes variam com o tipo e qualidade do sorvete). Em temperaturas de zero a temperaturas normais de congelador doméstico, ele não é sólido congelado porque o açúcar diminui o ponto de congelamento da água e a solução concentrada de açúcar permanece líquida.

A quantidade de fase líquida presente diminui com a diminuição da temperatura. Se você imaginar começando em zero C, à medida que diminui a temperatura, os cristais de gelo se formam, o que puxa a água da fase fluida e aumenta a concentração de açúcar na fase fluida. Isso deprime o ponto de congelamento até que corresponda à temperatura do freezer, ponto em que o sistema está em equilíbrio. Abaixe ainda mais a temperatura e isso forma mais cristais de gelo, aumenta ainda mais a concentração de açúcar e deprime ainda mais o ponto de congelamento da fase líquida. E assim por diante. A fase líquida não desaparece completamente até que você atinja temperaturas muito, muito baixas, quando a solução de açúcar restante congela como um copo.

É essa mudança na quantidade de fase líquida presente que está causando as mudanças que você observou. Conforme você aquece o sorvete inicialmente muito frio, você derrete alguns dos cristais de gelo e obtém mais fase fluida, além de que a viscosidade da fase fluida diminui à medida que fica mais diluída. Ambos amolecem o sorvete.

Devo enfatizar que este é um relato muito simplificado de um comportamento reológico muito complicado, mas deve dar a você uma ideia básica do que está acontecendo.Os detalhes são infinitamente fascinantes se você for um cientista de coloides (ou apenas como um sorvete).Por exemplo, o açúcar envenena a superfície dos cristais de gelo e altera sua morfologia.No sorvete, os cristais tendem a ser bolhas arredondadas, em vez dos cristais irregulares geralmente formados.Isso também afeta a reologia, já que os cristais arredondados fluem uns sobre os outros com mais facilidade.

Isso é mais bem respondido na química do que na física. (Além disso, é isso que acho que está acontecendo com base no que aprendi com as honras de química no ano passado.) Por que a água se transforma em gelo quando você a congela? Ambos têm o mesmo princípio: você está perdendo energia à medida que esfria.

Quando a água ou o sorvete estão na forma líquida, suas moléculas têm mais energia, então podem se mover (vibrar, mais parecido) facilmente. Quando o líquido fica congelado, a energia é liberada e as moléculas se movem mais lentamente (mas ainda estão se movendo; elas param de se mover completamente a 0 K). Quando são mais lentos, podem formar ligações fracas entre outras moléculas, que seriam facilmente quebradas com uma colher de sorvete ou um pouco de calor.

Especificamente para o sorvete, acho que há muito menos ligações fracas formadas entre as moléculas, e elas se movem mais, então você não precisa de tanta energia para quebrar as ligações, mas ainda há ligações suficientes presentes para evitar de ser um líquido. Quanto ao sorvete duro como uma rocha, são apenas ligações mais fracas, então você precisa de mais energia para quebrá-las.