Air manakah yang lebih cepat membeku - dingin atau hangat? Air panas dan dingin: rahasia pembekuan

British Royal Society of Chemistry menawarkan hadiah £1.000 kepada siapa saja yang bisa menjelaskan poin ilmiah lihat, mengapa dalam beberapa kasus air panas membeku lebih cepat daripada dingin.

“Ilmu pengetahuan modern masih belum bisa menjawab pertanyaan yang tampaknya sederhana ini. Pembuat es krim dan bartender menggunakan efek ini dalam produksi mereka pekerjaan sehari-hari, tetapi tidak ada yang tahu mengapa ini berhasil. Masalah ini telah diketahui selama ribuan tahun, dan para filsuf seperti Aristoteles dan Descartes memikirkannya,” kata Profesor David Phillips, presiden British Royal Society of Chemistry, seperti dikutip dalam siaran pers Society.

Bagaimana seorang juru masak dari Afrika mengalahkan seorang profesor fisika Inggris

Ini bukan lelucon April Mop, tapi kenyataan fisik yang keras. Ilmu pengetahuan modern, yang dengan mudah menangani galaksi dan lubang hitam, serta membangun akselerator raksasa untuk mencari quark dan boson, tidak dapat menjelaskan cara kerja dasar air. Buku pelajaran sekolah dengan jelas menyatakan bahwa dibutuhkan waktu lebih lama untuk mendinginkan benda yang lebih panas daripada mendinginkan benda yang dingin. Namun untuk air, hukum ini tidak selalu dipatuhi. Aristoteles menarik perhatian pada paradoks ini pada abad ke-4 SM. e. Inilah yang ditulis oleh orang Yunani kuno dalam bukunya Meteorologica I: “Fakta bahwa air dipanaskan terlebih dahulu menyebabkan air membeku. Oleh karena itu, banyak orang yang ingin mendinginkan air panas lebih cepat, menjemurnya terlebih dahulu…” Pada Abad Pertengahan, Francis Bacon dan Rene Descartes mencoba menjelaskan fenomena ini. Sayangnya, baik para filsuf besar maupun banyak ilmuwan yang mengembangkan termofisika klasik tidak berhasil melakukan hal ini, dan oleh karena itu fakta yang tidak menyenangkan seperti itu “dilupakan” untuk waktu yang lama.

Dan baru pada tahun 1968 mereka “mengingat” berkat anak sekolah Erasto Mpembe dari Tanzania, yang jauh dari ilmu pengetahuan apapun. Saat bersekolah di sekolah kuliner pada tahun 1963, Mpembe yang berusia 13 tahun diberi tugas membuat es krim. Menurut teknologi, susu perlu direbus, gula dilarutkan di dalamnya, didinginkan hingga dingin suhu kamar lalu masukkan ke dalam lemari es hingga membeku. Rupanya Mpemba bukanlah murid yang rajin dan ragu-ragu. 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 sesuai dengan semua aturan.

Ketika Mpemba membagikan penemuannya kepada guru fisikanya, dia menertawakannya di depan seluruh kelas. Mpemba ingat penghinaan itu. Lima tahun kemudian, sebagai mahasiswa di universitas di Dar es Salaam, dia menghadiri kuliah fisikawan terkenal Denis G. Osborne. Setelah ceramah, ia mengajukan pertanyaan kepada ilmuwan tersebut: “Jika Anda mengambil dua wadah identik dengan jumlah air yang sama, yang satu bersuhu 35 °C (95 °F) dan yang lainnya bersuhu 100 °C (212 °F), dan letakkan di dalamnya. di dalam freezer, maka Air dalam wadah panas akan lebih cepat membeku. Mengapa?" Bisa dibayangkan reaksi seorang profesor Inggris terhadap pertanyaan seorang pemuda dari Tanzania yang terkutuk. Dia mengolok-olok siswa itu. Namun, Mpemba siap menerima jawaban seperti itu dan menantang ilmuwan tersebut untuk bertaruh. Perselisihan mereka berakhir dengan tes eksperimental yang memastikan bahwa Mpemba benar dan Osborne kalah. Oleh karena itu, juru masak magang tersebut menuliskan namanya dalam sejarah ilmu pengetahuan, dan mulai sekarang fenomena ini disebut “efek Mpemba”. Tidak mungkin untuk membuangnya, menyatakannya sebagai “tidak ada”. Fenomena itu ada, dan, seperti yang ditulis penyair, “tidak ada salahnya.”

Apakah partikel debu dan zat terlarut yang harus disalahkan?

Selama bertahun-tahun, banyak yang mencoba mengungkap misteri air yang membeku. Sejumlah penjelasan telah diajukan untuk fenomena ini: penguapan, konveksi, pengaruh zat terlarut - tetapi tidak satu pun dari faktor-faktor ini yang dapat dianggap pasti. Sejumlah ilmuwan telah mengabdikan seluruh hidupnya pada efek Mpemba. Pegawai Departemen Keselamatan Radiasi Universitas Negeri Warga Kota New York, James Brownridge, telah mempelajari paradoks di waktu luangnya selama satu dekade. Setelah melakukan ratusan percobaan, ilmuwan tersebut mengaku memiliki bukti “rasa bersalah” akibat hipotermia. Brownridge menjelaskan bahwa pada suhu 0°C, air menjadi sangat dingin, dan mulai membeku ketika suhu turun di bawah itu. Titik beku diatur oleh kotoran di dalam air - mereka mengubah laju pembentukan kristal es. Kotoran, seperti partikel debu, bakteri, dan garam terlarut, memiliki suhu nukleasi yang khas ketika kristal es terbentuk di sekitar pusat kristalisasi. Ketika beberapa unsur terdapat dalam air sekaligus, titik bekunya ditentukan oleh unsur yang memiliki suhu nukleasi tertinggi.

Untuk percobaannya, Brownridge mengambil dua sampel air dengan suhu yang sama dan memasukkannya ke dalam freezer. Dia menemukan bahwa salah satu spesimen selalu membeku sebelum yang lain - mungkin karena kombinasi yang berbeda kotoran.

Brownridge menyatakan bahwa air panas mendingin lebih cepat karena perbedaan suhu air dan suhu yang lebih besar freezer– ini membantunya mencapai titik bekunya sebelum air dingin mencapai titik beku alaminya, yang setidaknya 5°C lebih rendah.

Namun alasan Brownridge menimbulkan banyak pertanyaan. Oleh karena itu, mereka yang dapat menjelaskan efek Mpemba dengan caranya sendiri memiliki kesempatan untuk bersaing mendapatkan seribu pound sterling dari British Royal Society of Chemistry.

Pada tahun 1963, seorang anak sekolah Tanzania bernama Erasto Mpemba mengajukan pertanyaan bodoh kepada gurunya - mengapa es krim hangat di freezernya membeku lebih cepat daripada es krim dingin?

Menjadi murid Magambinskaya sekolah menengah atas di Tanzania Erasto Mpemba melakukannya kerja praktek dalam memasak. 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.

Dia menoleh ke guru fisika untuk klarifikasi, tetapi dia hanya menertawakan siswa tersebut, dengan mengatakan hal berikut: “Ini bukan fisika universal, tetapi fisika Mpemba.” 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.

Apakah Anda tertarik untuk mengetahui mengapa hal ini terjadi? Beberapa tahun yang lalu, para ilmuwan berhasil menjelaskan fenomena ini...

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. 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 di mana tubuh mendingin hingga mencapai suhu tertentu lingkungan, harus sebanding dengan perbedaan suhu antara benda ini dan lingkungan. Hukum ini ditetapkan oleh Newton dan sejak itu telah dikonfirmasi berulang kali dalam praktik. Akibatnya, air dengan suhu 100°C mendingin hingga suhu 0°C lebih cepat dibandingkan air dengan jumlah yang sama dengan suhu 35°C.

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 yang Anda ketahui, molekul air terdiri dari satu atom oksigen dan dua atom hidrogen yang disatukan ikatan kovalen, yang pada tingkat partikel tampak seperti pertukaran elektron. Fakta terkenal lainnya 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.

Berikut asumsi yang dikemukakan para ilmuwan:

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, karena penguapan, suhunya menurun.

Perbedaan suhu

Karena perbedaan suhu antara air panas dan lebih banyak udara dingin - oleh karena itu, pertukaran panas dalam hal ini lebih intens dan air panas mendingin lebih cepat.

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 untuk membentuk kristal 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 mengalami pendinginan berlebih, hal berikut akan terjadi: lapisan es tipis terbentuk di permukaannya, yang bertindak sebagai penyekat antara air dan udara dingin, sehingga 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 dan terbentuk lebih banyak es. 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 suhu 4°C. Jika Anda mendinginkan air hingga 4°C dan menempatkannya di lingkungan dengan suhu lebih rendah, lapisan permukaan air akan lebih cepat membeku. Karena massa jenis air ini lebih kecil dibandingkan air pada suhu 4°C, air ini akan tetap berada di permukaan, membentuk lapisan tipis yang dingin. Dalam 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. . Itu sebabnya proses lebih lanjut pendinginan akan terjadi 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 menaikkan lapisan tersebut 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 berkurang suhu tinggi di bawah. 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 mana yang menjamin 100% reproduksi 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 saat eksperimen dilakukan. Justru karena tidak selalu direproduksi.

Tapi seperti yang mereka katakan, alasan yang paling mungkin.

Seperti yang ditulis oleh para ahli kimia dalam artikel mereka, yang dapat ditemukan di situs pracetak arXiv.org, ikatan hidrogen lebih kuat di air panas dibandingkan 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 hanya 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.

Pada artikel ini kita akan membahas pertanyaan mengapa air panas membeku lebih cepat daripada air dingin.

Air panas membeku lebih cepat daripada air dingin! Sifat air yang menakjubkan ini, yang penjelasan pastinya masih belum dapat ditemukan oleh para ilmuwan, telah diketahui sejak zaman kuno. Misalnya, dalam Aristoteles pun ada deskripsinya memancing musim dingin: nelayan memasukkan pancing ke dalam lubang es, dan agar lebih cepat membeku, mereka menyirami es air hangat. Fenomena ini dinamai Erasto Mpemba pada tahun 60an abad ke-20. Mnemba memperhatikan efek aneh saat membuat es krim dan meminta penjelasan kepada guru fisikanya, Dr. Denis Osborne. Mpemba dan Dr. Osborne bereksperimen dengan air suhu yang berbeda dan menyimpulkan: air yang hampir mendidih mulai membeku lebih cepat daripada air pada suhu kamar. Ilmuwan lain melakukan eksperimennya sendiri dan setiap kali memperoleh hasil serupa.

Penjelasan fenomena fisik

Tidak ada penjelasan yang diterima secara umum mengapa hal ini terjadi. Banyak peneliti berpendapat bahwa intinya adalah pendinginan cairan yang berlebihan, yang terjadi ketika suhunya turun di bawah titik beku. Dengan kata lain, jika air membeku pada suhu di bawah 0°C, maka air superdingin dapat bersuhu, misalnya -2°C dan tetap berbentuk cair tanpa berubah menjadi es. Saat kita mencoba membekukan air dingin, ada kemungkinan air tersebut akan menjadi sangat dingin terlebih dahulu dan baru mengeras setelah beberapa waktu. Proses lain terjadi di air panas. Transformasinya yang lebih cepat menjadi es dikaitkan dengan konveksi.

Konveksi- Ini fenomena fisik, di mana lapisan bawah cairan yang hangat naik, dan lapisan atas, yang didinginkan, turun.

Efek Mpemba(Paradoks Mpemba) - sebuah paradoks yang menyatakan bahwa air panas dalam kondisi tertentu membeku lebih cepat daripada air dingin, meskipun harus melewati suhu air dingin dalam proses pembekuannya. 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 berulang kali dalam praktik. 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 berarti sebuah paradoks, karena efek Mpemba juga dapat dijelaskan dalam kerangka tersebut fisikawan terkenal. 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 untuk membentuk kristal 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 disebabkan 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 tersebut 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

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

Sastrasumber:

“Air panas membeku lebih cepat dibandingkan air dingin. Mengapa demikian?”, Jearl Walker dalam The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, Tidak. 3, hal 246-257; September 1977.

“Pembekuan Air Panas dan Air Dingin”, G.S. Kell dalam Jurnal Fisika Amerika, Vol. 37, Tidak. 5, hal 564-565; Mei 1969.

"Supercooling dan efek Mpemba", David Auerbach, dalam American Journal of Physics, Vol. 63, Tidak. 10, hal 882-885; Oktober 1995.

"Efek Mpemba: Waktu pembekuan air panas dan dingin", Charles A. Knight, dalam American Journal of Physics, Vol. 64, Tidak. 5, hal 524; Mei 1996.

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.

Namun hal ini belum menunjukkan adanya paradoks, karena efek Mpemba dapat dijelaskan dalam kerangka fisika yang diketahui. Berikut beberapa penjelasan mengenai efek Mpemba: