Air panas atau dingin akan lebih cepat membeku. Mengapa air panas lebih cepat membeku dibandingkan air dingin? Efek Mpemba

Ada banyak faktor yang mempengaruhi air mana yang lebih cepat membeku, panas atau dingin, namun pertanyaannya sendiri sepertinya agak aneh. Implikasinya, yang diketahui dari ilmu fisika, adalah air panas masih memerlukan waktu untuk mendingin hingga suhu air dingin dibandingkan untuk berubah menjadi es. Air dingin dapat melewati tahap ini, dan karenanya, membutuhkan waktu lebih lama.

Namun jawaban atas pertanyaan air mana yang membeku lebih cepat - dingin atau panas - di luar dalam cuaca dingin, setiap penduduk tahu garis lintang utara. Faktanya, secara ilmiah, ternyata demikian air dingin Itu hanya harus membeku lebih cepat.

Guru fisika yang didekati oleh anak sekolah Erasto Mpemba pada tahun 1963, memikirkan hal yang sama dengan permintaan untuk menjelaskan mengapa campuran dingin es krim masa depan membutuhkan waktu lebih lama untuk membeku dibandingkan campuran serupa namun panas.

“Ini bukan fisika universal, tapi semacam fisika Mpemba”

Saat itu, sang guru hanya menertawakan hal tersebut, namun Deniss Osborne, seorang profesor fisika, yang pernah mengunjungi sekolah yang sama tempat Erasto belajar, secara eksperimental membenarkan adanya efek tersebut, meski saat itu belum ada penjelasannya. Pada tahun 1969, artikel gabungan kedua orang ini diterbitkan di jurnal ilmiah populer, yang menjelaskan efek aneh ini.

Sejak itu, pertanyaan tentang air mana yang membeku lebih cepat - panas atau dingin - memiliki namanya sendiri - efek Mpemba, atau paradoks.

Pertanyaan itu sudah ada sejak lama

Secara alami, fenomena seperti itu pernah terjadi sebelumnya, dan disebutkan dalam karya ilmuwan lain. Tidak hanya anak sekolah saja yang tertarik dengan masalah ini, Rene Descartes bahkan Aristoteles pun pernah memikirkannya.

Namun mereka mulai mencari pendekatan untuk memecahkan paradoks ini hanya pada akhir abad kedua puluh.

Kondisi terjadinya paradoks

Seperti halnya es krim, bukan hanya air biasa yang membeku selama percobaan. Kondisi tertentu harus ada untuk mulai berdebat tentang air mana yang membeku lebih cepat - dingin atau panas. Apa yang mempengaruhi jalannya proses ini?

Kini, di abad ke-21, beberapa opsi telah dikemukakan yang dapat menjelaskan paradoks ini. Air mana yang membeku lebih cepat, panas atau dingin, mungkin bergantung pada fakta bahwa air tersebut memiliki tingkat penguapan yang lebih tinggi daripada air dingin. Dengan demikian, volumenya mengecil, dan seiring dengan mengecilnya volume, waktu pembekuan menjadi lebih pendek dibandingkan jika kita mengambil volume awal air dingin yang sama.

Sudah lama sejak Anda mencairkan freezer.

Air mana yang lebih cepat membeku dan mengapa hal ini terjadi dapat dipengaruhi oleh lapisan salju yang mungkin ada di dalam freezer lemari es yang digunakan untuk percobaan. Jika Anda mengambil dua wadah yang volumenya sama, tetapi salah satunya berisi air panas, dan di sisi lain - wadah dingin dengan air panas akan mencairkan salju di bawahnya, sehingga meningkatkan kontak tingkat termal dengan dinding lemari es. Wadah dengan air dingin tidak bisa melakukan itu. Jika tidak ada lapisan salju di kompartemen lemari es, air dingin akan membeku lebih cepat.

Atas bawah

Selain itu, fenomena air membeku lebih cepat - panas atau dingin - dijelaskan sebagai berikut. Mengikuti hukum tertentu, air dingin mulai membeku lapisan atas, ketika panas terjadi sebaliknya - ia mulai membeku dari bawah ke atas. Ternyata air dingin, yang memiliki lapisan dingin di atasnya dengan es yang sudah terbentuk di beberapa tempat, memperburuk proses konveksi dan radiasi termal, sehingga menjelaskan air mana yang membeku lebih cepat - dingin atau panas. Foto-foto dari eksperimen amatir terlampir, dan ini terlihat jelas di sini.

Panasnya keluar, mengalir deras ke atas, dan di sana ia bertemu dengan lapisan yang sangat dingin. Tidak ada jalur bebas bagi radiasi panas, sehingga proses pendinginan menjadi sulit. Air panas sama sekali tidak memiliki hambatan seperti itu di jalurnya. Mana yang lebih cepat membeku - dingin atau panas, apa yang menentukan kemungkinan hasilnya?Anda dapat memperluas jawabannya dengan mengatakan bahwa air apa pun memiliki zat tertentu yang terlarut di dalamnya.

Kotoran dalam air sebagai faktor yang mempengaruhi hasil

Jika Anda tidak curang dan menggunakan air dengan komposisi yang sama, dimana konsentrasi zat tertentu sama, maka air dingin akan lebih cepat membeku. Namun jika terjadi situasi saat dibubarkan unsur kimia hanya tersedia di air panas, dan air dingin tidak ada, maka ada kemungkinan air panas membeku lebih awal. Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa zat terlarut dalam air menciptakan pusat kristalisasi, dan dengan sejumlah kecil pusat ini, transformasi air menjadi keadaan padat sulit. Bahkan tidak menutup kemungkinan air akan menjadi sangat dingin, dalam artian pada suhu di bawah nol derajat akan berbentuk cair.

Namun semua versi ini, tampaknya, tidak sepenuhnya sesuai dengan para ilmuwan dan mereka terus menangani masalah ini. Pada tahun 2013, tim peneliti di Singapura mengatakan mereka telah memecahkan misteri kuno.

Sekelompok ilmuwan Tiongkok menyatakan bahwa rahasia efek ini terletak pada jumlah energi yang disimpan antar molekul air dalam ikatannya, yang disebut ikatan hidrogen.

Jawaban dari ilmuwan Tiongkok

Berikut ini adalah informasinya, untuk memahaminya Anda perlu memiliki pengetahuan kimia untuk memahami air mana yang membeku lebih cepat - panas atau dingin. Seperti diketahui, ia terdiri dari dua atom H (hidrogen) dan satu atom O (oksigen) yang disatukan ikatan kovalen.

Tetapi atom hidrogen dari satu molekul juga tertarik ke molekul tetangganya, ke komponen oksigennya. Ikatan ini disebut ikatan hidrogen.

Perlu diingat bahwa pada saat yang sama, molekul air memiliki efek tolak menolak satu sama lain. Para ilmuwan mencatat bahwa ketika air dipanaskan, jarak antar molekulnya bertambah, dan ini difasilitasi oleh gaya tolak-menolak. Ternyata dengan menempati jarak yang sama antar molekul dalam keadaan dingin, mereka dapat dikatakan meregang, dan mempunyai suplai energi yang lebih besar. Cadangan energi inilah yang dilepaskan ketika molekul air mulai bergerak mendekat satu sama lain, yaitu terjadi pendinginan. Ternyata cadangan energi yang lebih besar di air panas, dan pelepasannya yang lebih besar ketika didinginkan hingga suhu di bawah nol, terjadi lebih cepat dibandingkan di air dingin, yang memiliki cadangan energi yang lebih kecil. Jadi air mana yang lebih cepat membeku - dingin atau panas? Di jalan dan di laboratorium, paradoks Mpemba seharusnya terjadi, dan air panas akan lebih cepat berubah menjadi es.

Namun pertanyaannya masih terbuka

Hanya ada konfirmasi teoritis dari solusi ini - semuanya sudah tertulis formula yang indah dan tampaknya masuk akal. Namun ketika data eksperimen tentang air yang membeku lebih cepat - panas atau dingin - digunakan secara praktis, dan hasilnya disajikan, maka pertanyaan tentang paradoks Mpemba dapat dianggap selesai.

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.

Menjadi murid Magambinskaya sekolah menengah atas di Tanzania Erasto Mpemba melakukannya kerja praktek Oleh memasak. Dia perlu membuat es krim buatan sendiri - rebus susu, larutkan gula di dalamnya, dinginkan hingga dingin suhu kamar lalu masukkan 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 ketika 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.

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 intensif 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. Pada kasus ini lapisan tipis es 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 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 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 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 dimasukkan ke dalam freezer. ruang pendingin dalam wadah kecil. Dalam kondisi tersebut, diketahui bahwa wadah berisi air panas mencairkan es di bawahnya freezer, 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 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.

Tampak jelas bahwa air dingin membeku lebih cepat daripada air panas, karena dalam kondisi yang sama, air panas membutuhkan waktu lebih lama untuk mendingin dan kemudian membeku. Namun, pengamatan selama ribuan tahun, serta eksperimen modern, menunjukkan bahwa hal sebaliknya juga terjadi: dalam kondisi tertentu, air panas membeku lebih cepat daripada air dingin. Sciencium Science Channel menjelaskan fenomena ini:

Seperti yang dijelaskan pada video di atas, fenomena air panas membeku lebih cepat dibandingkan air dingin yang dikenal sebagai efek Mpemba, diambil dari nama Erasto Mpemba, seorang siswa Tanzania yang membuat es krim sebagai bagian dari proyek sekolah pada tahun 1963. Siswa harus merebus campuran krim dan gula hingga mendidih, membiarkannya dingin, lalu memasukkannya ke dalam freezer.

Sebaliknya, Erasto langsung memasukkan adonannya dalam keadaan panas, tanpa menunggu hingga dingin. Alhasil, setelah 1,5 jam adonannya sudah membeku, tapi adonan siswa yang lain tidak. Tertarik dengan fenomena tersebut, Mpemba mulai mempelajari masalah ini dengan profesor fisika Denis Osborne, dan pada tahun 1969 mereka menerbitkan sebuah makalah yang menyatakan bahwa air hangat membeku lebih cepat daripada air dingin. Ini adalah studi peer-review pertama yang sejenis, namun fenomena tersebut disebutkan dalam makalah Aristoteles, yang berasal dari abad ke-4 SM. e. Francis Bacon dan Descartes juga mencatat fenomena ini dalam studi mereka.

Video ini mencantumkan beberapa opsi untuk menjelaskan apa yang terjadi:

Frost adalah dielektrik, dan oleh karena itu air dingin menyimpan panas lebih baik daripada gelas hangat, yang melelehkan es ketika bersentuhan dengannya.
Air dingin memiliki lebih banyak gas terlarut dibandingkan air hangat, dan para peneliti berspekulasi bahwa hal ini mungkin berperan dalam laju pendinginan, meskipun belum jelas bagaimana caranya.
Air panas kehilangan lebih banyak molekul air melalui penguapan, sehingga lebih sedikit yang tersisa untuk dibekukan
Air hangat dapat mendingin lebih cepat karena meningkatnya arus konvektif. Arus ini terjadi karena air di dalam gelas mendingin terlebih dahulu pada permukaan dan sisinya, sehingga menyebabkan air dingin tenggelam dan air panas naik. Pada kaca hangat, arus konvektif lebih aktif sehingga dapat mempengaruhi laju pendinginan.

Namun, pada tahun 2016, sebuah penelitian yang dikontrol dengan cermat dilakukan dan menunjukkan hal sebaliknya: air panas membeku jauh lebih lambat daripada air dingin. Pada saat yang sama, para ilmuwan memperhatikan bahwa mengubah lokasi termokopel - alat yang menentukan perubahan suhu - hanya satu sentimeter akan menyebabkan munculnya efek Mpemba. Mempelajari orang lain karya serupa menunjukkan bahwa dalam semua kasus di mana efek ini diamati, terjadi perpindahan termokopel dalam satu sentimeter.

Air- zat yang cukup sederhana dengan titik kimia penglihatan, namun pada saat yang sama ia memiliki sejumlah sifat luar biasa yang tidak pernah berhenti membuat takjub para ilmuwan. Berikut adalah beberapa fakta yang hanya diketahui sedikit orang.

1. Air manakah yang lebih cepat membeku - dingin atau panas?

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, seorang pelajar Tanzania bernama Erasto B. Mpemba, ketika membekukan campuran es krim, 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 “ 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.

2. Dapat langsung membeku

Semua orang tahu itu air selalu berubah menjadi es ketika didinginkan hingga 0°C... dengan beberapa pengecualian! Kasus seperti itu, misalnya, adalah hipotermia, yang merupakan sifat yang sangat buruk air bersih 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 Celcius.

Proses kristalisasi dapat disebabkan, misalnya oleh gelembung gas, kotoran (kontaminan), permukaan tidak rata kontainer. Tanpa mereka, air akan tetap berbentuk cair. Saat proses kristalisasi dimulai, Anda dapat menyaksikan air yang sangat dingin langsung berubah menjadi es.

Perhatikan bahwa air “super panas” juga tetap cair meskipun dipanaskan melebihi titik didihnya.

3. 19 keadaan air

Tanpa ragu-ragu, sebutkan berapa banyak keadaan air yang berbeda? Jika Anda menjawab tiga: padat, cair, gas, maka Anda salah. Para ilmuwan membedakan setidaknya 5 wujud air yang berbeda dalam bentuk cair dan 14 wujud air dalam bentuk beku.

Ingat percakapan tentang air super dingin? Jadi, apa pun yang Anda lakukan, pada suhu -38 °C, air paling murni dan sangat dingin pun akan tiba-tiba berubah menjadi es. Apa yang akan terjadi jika suhu semakin turun? 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 berubah menjadi air “vitreous” atau “vitreous” - zat padat yang tidak memiliki kristal struktur.

4. Air mengejutkan para fisikawan

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 diperkirakan.

Ternyata pada kecepatan satu attodetik (10 -18 detik) terjadi efek kuantum yang tidak biasa, dan rumus kimia air sebagai gantinya H2O, menjadi H1.5O!

5. Memori air

Alternatif pengobatan resmi homoeopati menyatakan bahwa larutan encer produk obat dapat memberikan efek penyembuhan pada tubuh, meskipun faktor pengencerannya sangat tinggi sehingga tidak ada yang tersisa 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 terlarut di dalamnya dan mempertahankan sifat-sifat larutan pada konsentrasi aslinya setelah tidak ada satu pun molekul bahan yang tersisa di dalamnya.

Sebuah tim ilmuwan internasional yang dipimpin oleh Profesor Madeleine Ennis dari Queen's University of Belfast, yang telah mengkritik prinsip-prinsip homeopati, melakukan percobaan pada tahun 2002 untuk menyangkal konsep tersebut untuk selamanya. Hasilnya justru sebaliknya. Setelah itu, para ilmuwan menyatakan bahwa mereka mampu membuktikan realitas efek tersebut “ memori air" Namun percobaan yang dilakukan di bawah pengawasan ahli independen tidak membuahkan hasil. Perselisihan tentang keberadaan fenomena tersebut” memori air"melanjutkan.

Air memiliki banyak sifat tidak biasa lainnya yang tidak kita bahas di artikel ini. Misalnya, massa jenis air berubah bergantung pada suhu (massa jenis es lebih kecil daripada massa jenis air); air mempunyai tegangan permukaan yang cukup tinggi; dalam keadaan cair, air adalah jaringan gugus air yang kompleks dan berubah secara dinamis, dan perilaku gugus itulah yang mempengaruhi struktur air, dll.

Tentang ini dan banyak fitur tak terduga lainnya air bisa dibaca di artikel “ Sifat air yang tidak normal", ditulis oleh Martin Chaplin, profesor di Universitas London.

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?

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.

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 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.

Sejak itu mereka angkat bicara versi yang berbeda, salah satunya berbunyi 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. Lain fakta yang diketahui terletak pada kenyataan bahwa atom hidrogen tertarik ke atom oksigen dari molekul tetangga - dan 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 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 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 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 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 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 dingin yang tipis. 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. . 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 membawa 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 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 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.