Banyak peneliti yang mengemukakan dan mengemukakan versinya sendiri mengapa air panas lebih cepat membeku dibandingkan air dingin. Tampaknya seperti sebuah paradoks - lagipula, untuk membekukan, air panas harus didinginkan terlebih dahulu. Namun faktanya tetap ada, dan para ilmuwan menjelaskannya dengan cara yang berbeda.
Versi utama
Saat ini, ada beberapa versi yang menjelaskan fakta tersebut:
- Karena air panas lebih cepat menguap, volumenya mengecil. Dan pembekuan sejumlah kecil air pada suhu yang sama terjadi lebih cepat.
- Kompartemen freezer di lemari es memiliki lapisan salju. Wadah berisi air panas mencairkan salju di bawahnya. Hal ini meningkatkan kontak termal dengan freezer.
- Pembekuan air dingin, tidak seperti air panas, dimulai dari atas. Pada saat yang sama, konveksi dan radiasi panas, dan akibatnya, kehilangan panas, semakin parah.
- Air dingin mengandung pusat kristalisasi – zat terlarut di dalamnya. Jika kandungannya dalam air rendah, pembentukan lapisan gula sulit dilakukan, meskipun pendinginan super mungkin terjadi - bila pada suhu di bawah nol ia berbentuk cair.
Meskipun secara adil kita dapat mengatakan bahwa efek ini tidak selalu terlihat. Seringkali, air dingin membeku lebih cepat daripada air panas.
Pada suhu berapa air membeku
Mengapa air membeku? Ini mengandung sejumlah mineral atau partikel organik. Misalnya, partikel pasir, debu, atau tanah liat yang sangat kecil. Ketika suhu udara menurun, partikel-partikel ini menjadi pusat di mana kristal es terbentuk.
Peran inti kristalisasi juga dapat dimainkan oleh gelembung udara dan retakan pada wadah berisi air. Kecepatan proses pengubahan air menjadi es sangat dipengaruhi oleh jumlah pusat tersebut - jika jumlahnya banyak, cairan akan membeku lebih cepat. Dalam kondisi normal, pada tekanan atmosfer normal, air berubah menjadi padat dari cair pada suhu 0 derajat.
Inti dari efek Mpemba
Efek Mpemba adalah sebuah paradoks, yang intinya adalah dalam keadaan tertentu, air panas membeku lebih cepat daripada air dingin. Fenomena ini diperhatikan oleh Aristoteles dan Descartes. Namun, baru pada tahun 1963, siswa Tanzania, Erasto Mpemba, menetapkan bahwa es krim panas membeku dalam waktu lebih singkat daripada es krim dingin. Dia membuat kesimpulan ini saat menyelesaikan tugas memasak.
Dia harus melarutkan gula dalam susu rebus dan, setelah mendinginkannya, memasukkannya ke dalam lemari es hingga membeku. Rupanya, Mpemba tidak terlalu rajin dan terlambat menyelesaikan tugas bagian pertama. Oleh karena itu, dia tidak menunggu sampai susunya dingin, dan memasukkannya ke dalam lemari es dalam keadaan panas. Ia sangat terkejut ketika ia membeku lebih cepat dibandingkan teman-teman sekelasnya yang mengerjakan pekerjaan sesuai dengan teknologi yang diberikan.
Fakta ini sangat menarik perhatian pemuda itu, dan dia mulai bereksperimen dengan air biasa. Pada tahun 1969, jurnal Physics Education menerbitkan hasil penelitian Mpemba dan Profesor Dennis Osborne dari Universitas Dar Es Salaam. Efek yang mereka gambarkan diberi nama Mpemba. Namun, hingga saat ini belum ada penjelasan jelas atas fenomena tersebut. Semua ilmuwan sepakat bahwa peran utama dalam hal ini adalah perbedaan sifat air dingin dan air panas, tetapi apa sebenarnya yang tidak diketahui.
Versi Singapura
Fisikawan dari salah satu universitas di Singapura juga tertarik dengan pertanyaan air mana yang lebih cepat membeku - panas atau dingin? Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Xi Zhang menjelaskan paradoks ini melalui sifat-sifat air. Semua orang tahu komposisi air sejak sekolah - satu atom oksigen dan dua atom hidrogen. Oksigen sampai batas tertentu menarik elektron menjauh dari hidrogen, sehingga molekul tersebut merupakan semacam “magnet”.
Akibatnya, molekul-molekul tertentu dalam air sedikit tertarik satu sama lain dan disatukan oleh ikatan hidrogen. Kekuatannya jauh lebih rendah daripada ikatan kovalen. Peneliti Singapura percaya bahwa penjelasan paradoks Mpemba justru terletak pada ikatan hidrogen. Jika molekul air ditempatkan sangat rapat, maka interaksi yang kuat antar molekul dapat merusak ikatan kovalen di tengah molekul itu sendiri.
Tetapi ketika air dipanaskan, molekul-molekul yang terikat akan menjauh satu sama lain. Akibatnya, terjadi relaksasi ikatan kovalen di tengah molekul dengan pelepasan energi berlebih dan transisi ke tingkat energi yang lebih rendah. Hal ini mengarah pada fakta bahwa air panas mulai mendingin dengan cepat. Setidaknya, demikianlah perhitungan teoritis yang dilakukan para ilmuwan Singapura.
Air langsung membeku - 5 trik luar biasa: Video
Efek Mpemba(Paradoks Mpemba) merupakan paradoks yang menyatakan bahwa air panas pada kondisi tertentu lebih cepat membeku dibandingkan air dingin, meskipun harus melewati suhu air dingin pada saat proses pembekuan. Paradoks ini adalah fakta eksperimental yang bertentangan dengan gagasan umum, yang menyatakan bahwa, dalam kondisi yang sama, benda yang lebih panas membutuhkan lebih banyak waktu untuk mendingin hingga suhu tertentu daripada benda yang kurang panas untuk mendingin hingga suhu yang sama.
Fenomena ini pernah diperhatikan oleh Aristoteles, Francis Bacon dan Rene Descartes, tetapi baru pada tahun 1963 anak sekolah Tanzania Erasto Mpemba menemukan bahwa campuran es krim panas membeku lebih cepat daripada campuran es krim dingin.
Sebagai siswa di SMA Magambi di Tanzania, Erasto Mpemba melakukan kerja praktek sebagai juru masak. Dia perlu membuat es krim buatan sendiri - merebus susu, melarutkan gula di dalamnya, mendinginkannya hingga suhu kamar, lalu memasukkannya ke dalam lemari es hingga membeku. Rupanya, Mpemba bukanlah siswa yang rajin dan terlambat menyelesaikan tugas bagian pertama. Khawatir dia tidak akan bisa sampai di akhir pelajaran, dia menaruh susu yang masih panas ke dalam lemari es. Yang mengejutkannya, susu itu membeku bahkan lebih awal dari susu rekan-rekannya, yang disiapkan menggunakan teknologi yang diberikan.
Setelah itu, Mpemba bereksperimen tidak hanya dengan susu, tapi juga dengan air biasa. Bagaimanapun, sebagai siswa di Sekolah Menengah Mkwava, dia bertanya kepada Profesor Dennis Osborne dari Universitas College di Dar Es Salaam (diundang oleh direktur sekolah untuk memberikan ceramah fisika kepada siswanya) secara khusus tentang air: “Jika Anda mengambil dua wadah identik dengan volume air yang sama sehingga di salah satunya suhu airnya 35°C, dan di wadah lainnya - 100°C, lalu masukkan ke dalam freezer, lalu di wadah kedua air akan lebih cepat membeku. Mengapa? Osborne menjadi tertarik dengan masalah ini dan segera, pada tahun 1969, dia dan Mpemba mempublikasikan hasil eksperimen mereka di jurnal Physics Education. Sejak itu, efek yang mereka temukan disebut Efek Mpemba.
Hingga saat ini, belum ada yang mengetahui secara pasti bagaimana menjelaskan efek aneh tersebut. Para ilmuwan tidak memiliki satu versi pun, meski ada banyak. Ini semua tentang perbedaan sifat air panas dan dingin, namun belum jelas sifat mana yang berperan dalam hal ini: perbedaan pendinginan berlebih, penguapan, pembentukan es, konveksi, atau pengaruh gas cair terhadap air pada suhu yang berbeda.
Paradoks efek Mpemba adalah waktu yang diperlukan suatu benda untuk mendingin hingga mencapai suhu lingkungan harus sebanding dengan perbedaan suhu antara benda tersebut dan lingkungannya. Hukum ini ditetapkan oleh Newton dan sejak itu telah dikonfirmasi berkali-kali dalam praktiknya. Akibatnya, air dengan suhu 100°C mendingin hingga suhu 0°C lebih cepat dibandingkan air dengan jumlah yang sama dengan suhu 35°C.
Namun hal ini belum menunjukkan adanya paradoks, karena efek Mpemba dapat dijelaskan dalam kerangka fisika yang diketahui. Berikut beberapa penjelasan mengenai efek Mpemba:
Penguapan
Air panas menguap lebih cepat dari wadah, sehingga mengurangi volumenya, dan volume air yang lebih kecil pada suhu yang sama membeku lebih cepat. Air yang dipanaskan hingga 100 C kehilangan 16% massanya ketika didinginkan hingga 0 C.
Efek penguapan adalah efek ganda. Pertama, massa air yang dibutuhkan untuk pendinginan berkurang. Dan kedua, suhu menurun karena panas penguapan transisi dari fase air ke fase uap berkurang.
Perbedaan suhu
Karena perbedaan suhu antara air panas dan udara dingin lebih besar, maka pertukaran panas dalam hal ini lebih intens dan air panas lebih cepat dingin.
Hipotermia
Ketika air mendingin di bawah 0 C, air tidak selalu membeku. Dalam kondisi tertentu, ia dapat mengalami pendinginan super, dan tetap cair pada suhu di bawah titik beku. Dalam beberapa kasus, air dapat tetap cair meskipun suhu –20 C.
Alasan terjadinya efek ini adalah agar kristal es pertama mulai terbentuk, diperlukan pusat pembentukan kristal. Jika mereka tidak ada dalam air cair, maka pendinginan super akan berlanjut hingga suhu turun cukup sehingga kristal mulai terbentuk secara spontan. Ketika mereka mulai terbentuk dalam cairan yang sangat dingin, mereka akan mulai tumbuh lebih cepat, membentuk es lumpur, yang akan membeku membentuk es.
Air panas paling rentan terhadap hipotermia karena pemanasan menghilangkan gas dan gelembung terlarut, yang selanjutnya dapat berfungsi sebagai pusat pembentukan kristal es.
Mengapa hipotermia menyebabkan air panas lebih cepat membeku? Dalam kasus air dingin yang tidak terlalu dingin, hal berikut akan terjadi. Dalam hal ini, lapisan es tipis akan terbentuk di permukaan kapal. Lapisan es ini akan bertindak sebagai penyekat antara air dan udara dingin serta mencegah penguapan lebih lanjut. Laju pembentukan kristal es dalam hal ini akan lebih rendah. Dalam kasus air panas yang mengalami pendinginan super, air superdingin tidak memiliki lapisan permukaan es yang melindungi. Oleh karena itu, ia kehilangan panas lebih cepat melalui bagian atas yang terbuka.
Ketika proses pendinginan super berakhir dan air membeku, lebih banyak panas yang hilang sehingga lebih banyak es yang terbentuk.
Banyak peneliti efek ini yang menganggap hipotermia sebagai faktor utama terjadinya efek Mpemba.
Konveksi
Air dingin mulai membeku dari atas, sehingga memperburuk proses radiasi panas dan konveksi, dan karenanya kehilangan panas, sedangkan air panas mulai membeku dari bawah.
Efek ini dijelaskan oleh anomali kepadatan air. Air mempunyai massa jenis maksimum pada 4 C. Jika Anda mendinginkan air hingga 4 C dan menaruhnya pada suhu yang lebih rendah, lapisan permukaan air akan lebih cepat membeku. Karena massa jenis air ini lebih kecil dibandingkan air pada suhu 4 C, maka air ini akan tetap berada di permukaan, membentuk lapisan tipis yang dingin. Dengan kondisi tersebut, lapisan es tipis akan terbentuk di permukaan air dalam waktu singkat, namun lapisan es ini akan berfungsi sebagai isolator, melindungi lapisan bawah air yang akan tetap bersuhu 4 C. Oleh karena itu, proses pendinginan selanjutnya akan lebih lambat.
Dalam kasus air panas, situasinya sangat berbeda. Lapisan permukaan air akan lebih cepat mendingin karena adanya penguapan dan perbedaan suhu yang lebih besar. Selain itu, lapisan air dingin lebih padat dibandingkan lapisan air panas, sehingga lapisan air dingin akan tenggelam sehingga mengangkat lapisan air hangat ke permukaan. Sirkulasi air ini memastikan penurunan suhu dengan cepat.
Namun mengapa proses ini tidak mencapai titik keseimbangan? Untuk menjelaskan efek Mpemba dari sudut pandang konveksi, perlu diasumsikan bahwa lapisan air dingin dan panas terpisah dan proses konveksi itu sendiri berlanjut setelah suhu rata-rata air turun di bawah 4 C.
Namun, tidak ada bukti eksperimental yang mendukung hipotesis bahwa lapisan air dingin dan panas dipisahkan melalui proses konveksi.
Gas terlarut dalam air
Air selalu mengandung gas terlarut di dalamnya - oksigen dan karbon dioksida. Gas-gas ini mempunyai kemampuan untuk menurunkan titik beku air. Ketika air dipanaskan, gas-gas ini dilepaskan dari air karena kelarutannya dalam air lebih rendah pada suhu tinggi. Oleh karena itu, ketika air panas mendingin, selalu mengandung lebih sedikit gas terlarut dibandingkan air dingin yang tidak dipanaskan. Oleh karena itu, titik beku air panas lebih tinggi dan lebih cepat membeku. Faktor ini terkadang dianggap sebagai faktor utama dalam menjelaskan efek Mpemba, meskipun tidak ada data eksperimen yang mengkonfirmasi fakta ini.
Konduktivitas termal
Mekanisme ini dapat memainkan peran penting ketika air ditempatkan di kompartemen lemari es freezer dalam wadah kecil. Dalam kondisi ini, wadah berisi air panas telah diamati melelehkan es di dalam freezer di bawahnya, sehingga meningkatkan kontak termal dengan dinding freezer dan konduktivitas termal. Akibatnya, panas dikeluarkan dari wadah berisi air panas lebih cepat dibandingkan wadah berisi air dingin. Sebaliknya, wadah berisi air dingin tidak akan melelehkan salju di bawahnya.
Semua kondisi ini (dan juga kondisi lainnya) dipelajari dalam banyak eksperimen, tetapi jawaban yang jelas atas pertanyaan - kondisi manakah yang memberikan reproduksi seratus persen efek Mpemba - tidak pernah diperoleh.
Misalnya, pada tahun 1995, fisikawan Jerman David Auerbach mempelajari pengaruh air superdingin terhadap efek ini. Dia menemukan bahwa air panas, ketika mencapai keadaan sangat dingin, membeku pada suhu yang lebih tinggi daripada air dingin, dan karena itu lebih cepat daripada air dingin. Namun air dingin mencapai keadaan sangat dingin lebih cepat daripada air panas, sehingga mengimbangi kelambatan sebelumnya.
Selain itu, hasil Auerbach bertentangan dengan data sebelumnya bahwa air panas mampu mencapai supercooling yang lebih besar karena pusat kristalisasi yang lebih sedikit. Ketika air dipanaskan, gas-gas yang terlarut di dalamnya dikeluarkan dari dalamnya, dan ketika direbus, sebagian garam yang terlarut di dalamnya mengendap.
Untuk saat ini, hanya satu hal yang dapat dinyatakan - reproduksi efek ini sangat bergantung pada kondisi di mana eksperimen dilakukan. Justru karena tidak selalu direproduksi.
Fenomena pembekuan air panas yang lebih cepat dibandingkan air dingin dikenal dalam ilmu pengetahuan sebagai efek Mpemba. Para pemikir besar seperti Aristoteles, Francis Bacon, dan Rene Descartes merenungkan fenomena paradoks ini, namun selama ribuan tahun belum ada seorang pun yang mampu memberikan penjelasan masuk akal atas fenomena ini.
Baru pada tahun 1963, seorang anak sekolah dari Republik Tanganyika, Erasto Mpemba, memperhatikan efek ini dengan menggunakan contoh es krim, tetapi tidak ada orang dewasa yang memberikan penjelasan kepadanya. Meskipun demikian, fisikawan dan ahli kimia telah dengan serius memikirkan fenomena yang sederhana namun tidak dapat dipahami ini.
Sejak itu, berbagai versi telah diungkapkan, salah satunya adalah sebagai berikut: sebagian air panas mula-mula menguap begitu saja, dan kemudian, jika tersisa lebih sedikit, air membeku lebih cepat. Versi ini, karena kesederhanaannya, menjadi yang paling populer, namun tidak sepenuhnya memuaskan para ilmuwan.
Kini tim peneliti dari Nanyang Technological University di Singapura, dipimpin oleh ahli kimia Xi Zhang, mengatakan mereka telah memecahkan misteri kuno mengapa air hangat membeku lebih cepat daripada air dingin. Seperti yang diketahui oleh para ahli Tiongkok, rahasianya terletak pada jumlah energi yang tersimpan dalam ikatan hidrogen antar molekul air.
Seperti diketahui, molekul air terdiri dari satu atom oksigen dan dua atom hidrogen yang disatukan melalui ikatan kovalen, yang pada tingkat partikel tampak seperti pertukaran elektron. Fakta lain yang diketahui adalah bahwa atom hidrogen tertarik ke atom oksigen dari molekul tetangga - ikatan hidrogen terbentuk.
Pada saat yang sama, molekul air umumnya saling tolak menolak. Para ilmuwan dari Singapura memperhatikan: semakin hangat air, semakin besar jarak antar molekul cairan karena peningkatan gaya tolak menolak. Akibatnya, ikatan hidrogen merenggang sehingga menyimpan lebih banyak energi. Energi ini dilepaskan ketika air mendingin - molekul-molekul bergerak mendekat satu sama lain. Dan pelepasan energi, seperti diketahui, berarti pendinginan.
Seperti yang ditulis oleh ahli kimia dalam artikel mereka, yang dapat ditemukan di situs pracetak arXiv.org, ikatan hidrogen dalam air panas lebih kuat daripada di air dingin. Jadi, ternyata lebih banyak energi yang disimpan dalam ikatan hidrogen air panas, yang berarti lebih banyak energi yang dilepaskan saat didinginkan hingga suhu di bawah nol. Oleh karena itu, pengerasan terjadi lebih cepat.
Sampai saat ini, para ilmuwan baru memecahkan misteri ini secara teoritis. Ketika mereka memberikan bukti yang meyakinkan tentang versi mereka, pertanyaan mengapa air panas membeku lebih cepat daripada air dingin dapat dianggap selesai.
Tampaknya rumus lama H 2 O yang bagus tidak mengandung rahasia. Namun nyatanya, air – sumber kehidupan dan cairan paling terkenal di dunia – penuh dengan banyak misteri yang bahkan terkadang tidak mampu dipecahkan oleh para ilmuwan.
Berikut 5 fakta paling menarik tentang air:
1. Air panas lebih cepat membeku dibandingkan air dingin
Mari kita ambil dua wadah berisi air: tuangkan air panas ke dalam satu wadah, dan air dingin ke wadah lainnya, lalu masukkan ke dalam freezer. Air panas akan lebih cepat membeku dibandingkan air dingin, padahal secara logika, air dingin seharusnya berubah menjadi es terlebih dahulu: lagipula, air panas harus mendingin terlebih dahulu hingga mencapai suhu dingin, baru kemudian berubah menjadi es, sedangkan air dingin tidak perlu didinginkan. Mengapa ini terjadi?
Pada tahun 1963, Erasto B. Mpemba, seorang siswa sekolah menengah di Tanzania, membekukan campuran es krim dan memperhatikan bahwa campuran panas lebih cepat mengeras di dalam freezer daripada campuran dingin. Ketika pemuda itu membagikan penemuannya kepada guru fisikanya, dia hanya menertawakannya. Untungnya, siswa tersebut gigih dan meyakinkan gurunya untuk melakukan percobaan, yang membenarkan penemuannya: dalam kondisi tertentu, air panas sebenarnya membeku lebih cepat daripada air dingin.
Fenomena air panas membeku lebih cepat dibandingkan air dingin disebut dengan “efek Mpemba”. Benar, jauh sebelum dia, sifat unik air ini telah dicatat oleh Aristoteles, Francis Bacon, dan Rene Descartes.
Para ilmuwan masih belum sepenuhnya memahami sifat dari fenomena ini, menjelaskannya dengan perbedaan pendinginan super, penguapan, pembentukan es, konveksi, atau dengan pengaruh gas cair pada air panas dan dingin.
Catatan dari X.RU dengan topik “Air panas membeku lebih cepat daripada air dingin.”
Karena masalah pendinginan lebih dekat dengan kita, para ahli pendingin, kami akan membiarkan diri kami mempelajari lebih dalam esensi masalah ini dan memberikan dua pendapat tentang sifat dari fenomena misterius tersebut.
1. Seorang ilmuwan dari Universitas Washington telah mengajukan penjelasan atas fenomena misterius yang diketahui sejak zaman Aristoteles: mengapa air panas membeku lebih cepat daripada air dingin.
Fenomena yang disebut efek Mpemba ini banyak digunakan dalam praktik. Misalnya, para ahli menyarankan pengendara untuk menuangkan air dingin, bukan air panas, ke dalam wadah mesin cuci di musim dingin. Namun apa yang mendasari fenomena ini masih belum diketahui sejak lama.
Dr Jonathan Katz dari Universitas Washington mempelajari fenomena ini dan sampai pada kesimpulan bahwa zat yang terlarut dalam air, yang mengendap ketika dipanaskan, memainkan peran penting, lapor EurekAlert.
Yang dimaksud dengan zat terlarut, Dr. Katz adalah kalsium dan magnesium bikarbonat, yang ditemukan dalam air sadah. Ketika air dipanaskan, zat-zat ini mengendap, membentuk kerak pada dinding ketel. Air yang tidak pernah dipanaskan mengandung kotoran tersebut. Saat membeku dan kristal es terbentuk, konsentrasi pengotor di dalam air meningkat 50 kali lipat. Oleh karena itu, titik beku air menurun. “Dan sekarang air harus semakin dingin agar bisa membeku,” jelas Dr. Katz.
Ada alasan kedua yang mencegah air yang tidak dipanaskan membeku. Menurunkan titik beku air mengurangi perbedaan suhu antara fase padat dan cair. “Karena laju hilangnya panas air bergantung pada perbedaan suhu ini, air yang tidak dipanaskan menjadi kurang dingin,” komentar Dr. Katz.
Menurut ilmuwan tersebut, teorinya dapat diuji secara eksperimental, karena Efek Mpemba menjadi lebih nyata pada air yang lebih sadah.
2. Oksigen ditambah hidrogen ditambah dingin menciptakan es. Sekilas zat transparan ini terlihat sangat sederhana. Kenyataannya, es penuh dengan banyak misteri. Es, yang diciptakan oleh Erasto Mpemba dari Afrika, tidak memikirkan ketenaran. Hari-hari terasa panas. Dia ingin es loli. Dia mengambil kotak jus dan memasukkannya ke dalam freezer. Dia melakukan ini lebih dari sekali dan karena itu memperhatikan bahwa jus membeku dengan cepat jika Anda pertama kali menyimpannya di bawah sinar matahari - itu benar-benar memanaskannya! Ini aneh, pikir anak sekolah Tanzania, yang bertindak bertentangan dengan kebijaksanaan duniawi. Benarkah agar cairan lebih cepat berubah menjadi es, harus...dipanaskan terlebih dahulu? Pemuda itu sangat terkejut sehingga dia menceritakan tebakannya kepada gurunya. Dia melaporkan rasa ingin tahu ini di media.
Kisah ini terjadi pada tahun enam puluhan abad yang lalu. Kini "efek Mpemba" sudah diketahui para ilmuwan. Namun untuk waktu yang lama, fenomena yang tampaknya sederhana ini tetap menjadi misteri. Mengapa air panas lebih cepat membeku dibandingkan air dingin?
Baru pada tahun 1996 fisikawan David Auerbach menemukan solusinya. Untuk menjawab pertanyaan ini, dia melakukan percobaan selama setahun penuh: dia memanaskan air dalam gelas dan mendinginkannya kembali. Jadi apa yang dia temukan? Saat dipanaskan, gelembung udara yang terlarut dalam air menguap. Air tanpa gas lebih mudah membeku di dinding bejana. “Tentu saja, air dengan kandungan udara yang tinggi juga akan membeku,” kata Auerbach, “tetapi tidak pada suhu nol derajat Celcius, tetapi hanya pada suhu minus empat hingga enam derajat.” Tentu saja Anda harus menunggu lebih lama. Jadi, air panas membeku sebelum air dingin, ini fakta ilmiahnya.
Hampir tidak ada zat yang muncul di depan mata kita semudah es. Ia hanya terdiri dari molekul air - yaitu molekul elementer yang mengandung dua atom hidrogen dan satu atom oksigen. Namun, es mungkin merupakan zat paling misterius di alam semesta. Para ilmuwan belum mampu menjelaskan beberapa khasiatnya.
2. Pendinginan super dan pembekuan "instan".
Semua orang tahu bahwa air selalu berubah menjadi es ketika didinginkan hingga 0°C... kecuali dalam beberapa kasus! Contohnya adalah “pendinginan super”, yang merupakan sifat air yang sangat murni untuk tetap cair meskipun didinginkan hingga di bawah titik beku. Fenomena ini dimungkinkan karena lingkungan tidak mengandung pusat atau inti kristalisasi yang dapat memicu terbentuknya kristal es. Jadi air tetap berbentuk cair meskipun didinginkan hingga di bawah nol derajat Celsius. Proses kristalisasi dapat dipicu misalnya oleh gelembung gas, pengotor (kontaminan), atau permukaan wadah yang tidak rata. Tanpa mereka, air akan tetap berbentuk cair. Saat proses kristalisasi dimulai, Anda dapat menyaksikan air yang sangat dingin langsung berubah menjadi es.
Tonton videonya (2.901 KB, 60 detik) dari Phil Medina (www.mrsciguy.com) dan lihat sendiri >>
Komentar. Air yang terlalu panas juga tetap cair meskipun dipanaskan melebihi titik didihnya.
3. Air "gelas".
Dengan cepat dan tanpa berpikir panjang, sebutkan berapa banyak keadaan air yang berbeda?
Jika Anda menjawab tiga (padat, cair, gas), maka Anda salah. Para ilmuwan mengidentifikasi setidaknya 5 wujud air cair dan 14 wujud es yang berbeda.
Ingat percakapan tentang air super dingin? Jadi, apa pun yang Anda lakukan, pada suhu -38 °C, bahkan air paling murni yang sangat dingin pun tiba-tiba berubah menjadi es. Apa yang terjadi jika terjadi penurunan lebih lanjut?
suhu? Pada suhu -120 °C sesuatu yang aneh mulai terjadi pada air: air menjadi sangat kental atau kental, seperti molase, dan pada suhu di bawah -135 °C air berubah menjadi air “kaca” atau “vitreous” – zat padat yang tidak memiliki struktur kristal .
4. Sifat kuantum air
Pada tingkat molekuler, air bahkan lebih mengejutkan lagi. Pada tahun 1995, percobaan hamburan neutron yang dilakukan oleh para ilmuwan membuahkan hasil yang tidak terduga: fisikawan menemukan bahwa neutron yang diarahkan ke molekul air “melihat” proton hidrogen 25% lebih sedikit dari yang diharapkan.
Ternyata pada kecepatan satu attodetik (10 -18 detik) terjadi efek kuantum yang tidak biasa, dan rumus kimia air, bukan rumus biasa - H 2 O, menjadi H 1,5 O!
5. Apakah air mempunyai ingatan?
Homeopati, sebuah alternatif pengobatan konvensional, menyatakan bahwa larutan obat yang diencerkan dapat memberikan efek penyembuhan pada tubuh, meskipun faktor pengencerannya sangat besar sehingga tidak ada yang tersisa di dalam larutan kecuali molekul air. Para pendukung homeopati menjelaskan paradoks ini dengan konsep yang disebut "memori air", yang menyatakan bahwa air pada tingkat molekuler memiliki "memori" zat yang pernah larut di dalamnya dan mempertahankan sifat-sifat larutan pada konsentrasi aslinya setelah tidak satu kali pun. molekul bahan tetap berada di dalamnya.
Sekelompok ilmuwan internasional yang dipimpin oleh Profesor Madeleine Ennis dari Queen's University of Belfast, yang mengkritik prinsip-prinsip homeopati, melakukan percobaan pada tahun 2002 untuk menyangkal konsep ini untuk selamanya. Hasilnya adalah sebaliknya mampu membuktikan realitas efek “water memory” namun percobaan yang dilakukan di bawah pengawasan para ahli independen tidak membuahkan hasil apapun.
Air memiliki banyak sifat tidak biasa lainnya yang tidak kita bahas di artikel ini.
Literatur.
1. 5 Hal Aneh Tentang Air / http://www.neatorama.com.
2. Misteri air: teori efek Aristoteles-Mpemba telah dibuat / http://www.o8ode.ru.
3. Nepomnyashchy N.N. Rahasia alam mati. Zat paling misterius di alam semesta / http://www.bibliotekar.ru.
Efek Mpemba atau kenapa air panas lebih cepat membeku dibandingkan air dingin? Efek Mpemba (Mpemba Paradox) merupakan paradoks yang menyatakan bahwa air panas pada kondisi tertentu lebih cepat membeku dibandingkan air dingin, meskipun harus melewati suhu air dingin selama proses pembekuan. Paradoks ini adalah fakta eksperimental yang bertentangan dengan gagasan umum, yang menyatakan bahwa, dalam kondisi yang sama, benda yang lebih panas membutuhkan lebih banyak waktu untuk mendingin hingga suhu tertentu daripada benda yang kurang panas untuk mendingin hingga suhu yang sama. Fenomena ini pernah diperhatikan oleh Aristoteles, Francis Bacon dan Rene Descartes, tetapi baru pada tahun 1963 anak sekolah Tanzania Erasto Mpemba menemukan bahwa campuran es krim panas membeku lebih cepat daripada campuran es krim dingin. Sebagai siswa di SMA Magambi di Tanzania, Erasto Mpemba melakukan kerja praktek sebagai juru masak. Dia perlu membuat es krim buatan sendiri - merebus susu, melarutkan gula di dalamnya, mendinginkannya hingga suhu kamar, lalu memasukkannya ke dalam lemari es hingga membeku. Rupanya, Mpemba bukanlah siswa yang rajin dan terlambat menyelesaikan tugas bagian pertama. Khawatir dia tidak akan bisa sampai di akhir pelajaran, dia menaruh susu yang masih panas ke dalam lemari es. Yang mengejutkannya, susu itu membeku bahkan lebih awal dari susu rekan-rekannya, yang disiapkan menggunakan teknologi yang diberikan. Setelah itu, Mpemba bereksperimen tidak hanya dengan susu, tapi juga dengan air biasa. Bagaimanapun, sebagai siswa di Sekolah Menengah Mkwava, dia bertanya kepada Profesor Dennis Osborne dari Universitas College di Dar Es Salaam (diundang oleh direktur sekolah untuk memberikan ceramah fisika kepada siswanya) secara khusus tentang air: “Jika Anda mengambil dua wadah identik dengan volume air yang sama sehingga di salah satunya suhu airnya 35°C, dan di wadah lainnya - 100°C, lalu masukkan ke dalam freezer, lalu di wadah kedua air akan lebih cepat membeku. Mengapa? Osborne menjadi tertarik dengan masalah ini dan segera, pada tahun 1969, dia dan Mpemba mempublikasikan hasil eksperimen mereka di jurnal Physics Education. Sejak itu, efek yang mereka temukan disebut efek Mpemba. Hingga saat ini, belum ada yang mengetahui secara pasti bagaimana menjelaskan efek aneh tersebut. Para ilmuwan tidak memiliki satu versi pun, meski ada banyak. Ini semua tentang perbedaan sifat air panas dan dingin, namun belum jelas sifat mana yang berperan dalam hal ini: perbedaan pendinginan berlebih, penguapan, pembentukan es, konveksi, atau pengaruh gas cair terhadap air pada suhu yang berbeda. Paradoks efek Mpemba adalah waktu yang diperlukan suatu benda untuk mendingin hingga mencapai suhu lingkungan harus sebanding dengan perbedaan suhu antara benda tersebut dan lingkungannya. Hukum ini ditetapkan oleh Newton dan sejak itu telah dikonfirmasi berkali-kali dalam praktiknya. Akibatnya, air dengan suhu 100°C mendingin hingga suhu 0°C lebih cepat dibandingkan air dengan jumlah yang sama dengan suhu 35°C. Namun hal ini belum menunjukkan adanya paradoks, karena efek Mpemba dapat dijelaskan dalam kerangka fisika yang diketahui. Berikut beberapa penjelasan mengenai efek Mpemba: Penguapan Air panas menguap lebih cepat dari suatu wadah, sehingga volumenya berkurang, dan air dengan volume lebih kecil pada suhu yang sama membeku lebih cepat. Air yang dipanaskan hingga 100 C kehilangan 16% massanya ketika didinginkan hingga 0 C. Efek penguapan adalah efek ganda. Pertama, massa air yang dibutuhkan untuk pendinginan berkurang. Dan kedua, suhu menurun karena panas penguapan transisi dari fase air ke fase uap berkurang. Perbedaan suhu Karena perbedaan suhu antara air panas dan udara dingin lebih besar, maka pertukaran panas dalam hal ini lebih intens dan air panas lebih cepat dingin. Hipotermia Ketika air mendingin di bawah 0 C, air tidak selalu membeku. Dalam kondisi tertentu, ia dapat mengalami pendinginan super, dan tetap cair pada suhu di bawah titik beku. Dalam beberapa kasus, air dapat tetap cair bahkan pada suhu -20 C. Alasan terjadinya efek ini adalah agar kristal es pertama mulai terbentuk, diperlukan pusat pembentukan kristal. Jika mereka tidak ada dalam air cair, maka pendinginan super akan berlanjut hingga suhu turun cukup sehingga kristal mulai terbentuk secara spontan. Ketika mereka mulai terbentuk dalam cairan yang sangat dingin, mereka akan mulai tumbuh lebih cepat, membentuk es lumpur, yang akan membeku membentuk es. Air panas paling rentan terhadap hipotermia karena pemanasan menghilangkan gas dan gelembung terlarut, yang selanjutnya dapat berfungsi sebagai pusat pembentukan kristal es. Mengapa hipotermia menyebabkan air panas lebih cepat membeku? Dalam kasus air dingin yang tidak terlalu dingin, hal berikut akan terjadi. Dalam hal ini, lapisan es tipis akan terbentuk di permukaan kapal. Lapisan es ini akan bertindak sebagai penyekat antara air dan udara dingin serta mencegah penguapan lebih lanjut. Laju pembentukan kristal es dalam hal ini akan lebih rendah. Dalam kasus air panas yang mengalami pendinginan super, air superdingin tidak memiliki lapisan permukaan es yang melindungi. Oleh karena itu, ia kehilangan panas lebih cepat melalui bagian atas yang terbuka. Ketika proses pendinginan super berakhir dan air membeku, lebih banyak panas yang hilang sehingga lebih banyak es yang terbentuk. Banyak peneliti efek ini yang menganggap hipotermia sebagai faktor utama terjadinya efek Mpemba. Konveksi Air dingin mulai membeku dari atas, sehingga memperburuk proses radiasi panas dan konveksi, dan karenanya kehilangan panas, sedangkan air panas mulai membeku dari bawah. Efek ini dijelaskan oleh anomali kepadatan air. Air mempunyai massa jenis maksimum pada 4 C. Jika Anda mendinginkan air hingga 4 C dan menaruhnya pada suhu yang lebih rendah, lapisan permukaan air akan lebih cepat membeku. Karena massa jenis air ini lebih kecil dibandingkan air pada suhu 4 C, maka air ini akan tetap berada di permukaan, membentuk lapisan tipis yang dingin. Dengan kondisi tersebut, lapisan es tipis akan terbentuk di permukaan air dalam waktu singkat, namun lapisan es ini akan berfungsi sebagai isolator, melindungi lapisan bawah air yang akan tetap bersuhu 4 C. Oleh karena itu, proses pendinginan selanjutnya akan lebih lambat. Dalam kasus air panas, situasinya sangat berbeda. Lapisan permukaan air akan lebih cepat mendingin karena adanya penguapan dan perbedaan suhu yang lebih besar. Selain itu, lapisan air dingin lebih padat dibandingkan lapisan air panas, sehingga lapisan air dingin akan tenggelam sehingga mengangkat lapisan air hangat ke permukaan. Sirkulasi air ini memastikan penurunan suhu dengan cepat. Namun mengapa proses ini tidak mencapai titik keseimbangan? Untuk menjelaskan efek Mpemba dari sudut pandang konveksi, perlu diasumsikan bahwa lapisan air dingin dan panas terpisah dan proses konveksi itu sendiri berlanjut setelah suhu rata-rata air turun di bawah 4 C. Namun, tidak ada data eksperimen yang akan mengkonfirmasi hipotesis bahwa lapisan air dingin dan panas dipisahkan melalui proses konveksi. Gas yang terlarut dalam air Air selalu mengandung gas yang terlarut di dalamnya - oksigen dan karbon dioksida. Gas-gas ini mempunyai kemampuan untuk menurunkan titik beku air. Ketika air dipanaskan, gas-gas ini dilepaskan dari air karena kelarutannya dalam air lebih rendah pada suhu tinggi. Oleh karena itu, ketika air panas mendingin, selalu mengandung lebih sedikit gas terlarut dibandingkan air dingin yang tidak dipanaskan. Oleh karena itu, titik beku air panas lebih tinggi dan lebih cepat membeku. Faktor ini terkadang dianggap sebagai faktor utama dalam menjelaskan efek Mpemba, meskipun tidak ada data eksperimen yang mengkonfirmasi fakta ini. Konduktivitas termal Mekanisme ini dapat memainkan peran penting ketika air ditempatkan di kompartemen lemari es freezer dalam wadah kecil. Dalam kondisi ini, wadah berisi air panas telah diamati melelehkan es di dalam freezer di bawahnya, sehingga meningkatkan kontak termal dengan dinding freezer dan konduktivitas termal. Akibatnya, panas dikeluarkan dari wadah berisi air panas lebih cepat dibandingkan wadah berisi air dingin. Sebaliknya, wadah berisi air dingin tidak akan melelehkan salju di bawahnya. Semua kondisi ini (dan juga kondisi lainnya) dipelajari dalam banyak eksperimen, tetapi jawaban yang jelas atas pertanyaan - kondisi manakah yang memberikan reproduksi seratus persen efek Mpemba - tidak pernah diperoleh. Misalnya, pada tahun 1995, fisikawan Jerman David Auerbach mempelajari pengaruh air superdingin terhadap efek ini. Dia menemukan bahwa air panas, ketika mencapai keadaan sangat dingin, membeku pada suhu yang lebih tinggi daripada air dingin, dan karena itu lebih cepat daripada air dingin. Namun air dingin mencapai keadaan sangat dingin lebih cepat daripada air panas, sehingga mengimbangi kelambatan sebelumnya. Selain itu, hasil Auerbach bertentangan dengan data sebelumnya bahwa air panas mampu mencapai supercooling yang lebih besar karena pusat kristalisasi yang lebih sedikit. Ketika air dipanaskan, gas-gas yang terlarut di dalamnya dikeluarkan dari dalamnya, dan ketika direbus, sebagian garam yang terlarut di dalamnya mengendap. Untuk saat ini, hanya satu hal yang dapat dinyatakan - reproduksi efek ini sangat bergantung pada kondisi di mana eksperimen dilakukan. Justru karena tidak selalu direproduksi. O.V.Mosin
