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 - 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.
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 hal tersebut air panas dalam kondisi tertentu ia membeku lebih cepat daripada dingin, meskipun harus melewati suhu tersebut 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 ketika 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, 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. 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 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 superdingin, terjadi hal berikut: pada permukaannya a lapisan tipis es, 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. . 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 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 setelahnya. suhu rata-rata air akan 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 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.
Hingga 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.
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 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 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 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.
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 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 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 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.
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.
Air- zat yang cukup sederhana dari sudut pandang kimia, namun memiliki sejumlah sifat yang tidak biasa, yang tidak pernah berhenti memukau 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 sedang membekukan campuran es krim ketika dia menyadari bahwa campuran panas itu membeku menjadi freezer lebih cepat daripada dingin. Ketika pemuda itu membagikan penemuannya kepada guru fisikanya, dia hanya menertawakannya. Untungnya, siswa tersebut gigih dan meyakinkan gurunya untuk melakukan percobaan, yang mengkonfirmasi penemuannya: kondisi tertentu Air panas sebenarnya lebih cepat membeku dibandingkan air dingin.
Fenomena air panas membeku lebih cepat dibandingkan air dingin disebut “ Efek Mpemba" Benar, jauh sebelum itu properti unik air dicatat oleh Aristoteles, Francis Bacon dan René 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 menjadi mungkin karena fakta bahwa lingkungan tidak mengandung pusat atau inti kristalisasi yang dapat memicu terbentuknya kristal es. Jadi airnya tetap masuk bentuk cair, bahkan ketika didinginkan hingga suhu di bawah nol derajat Celcius.
Proses kristalisasi dapat disebabkan misalnya oleh gelembung gas, kotoran (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.
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 “gelas” atau “vitreous” - padat, di mana tidak ada struktur kristal.
4. Air mengejutkan para fisikawan
Pada tingkat molekuler air bahkan lebih mengejutkan. 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 obat resmi homoeopati menyatakan bahwa larutan encer produk obat dapat menyediakan 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.
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 di dalam air rendah, icing sulit dilakukan, meskipun pendinginan super mungkin terjadi - kapan suhu di bawah nol itu dalam keadaan 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, dengan normal tekanan atmosfir, air berubah wujud 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, menyimpulkan bahwa es krim panas membutuhkan waktu lebih lama untuk dibekukan. waktu yang singkat daripada 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 membeku lebih cepat - panas atau dingin? Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Xi Zhang menjelaskan paradoks ini justru dari 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-molekul air ditempatkan sangat rapat, maka terjadilah hal ini interaksi yang kuat antar molekul mampu merusak ikatan kovalen di tengah molekul itu sendiri.
Tetapi ketika air dipanaskan, molekul-molekul yang terikat akan menjauh satu sama lain. Akibatnya, relaksasi ikatan kovalen terjadi di tengah molekul dengan pelepasan energi berlebih dan transisi ke energi yang lebih rendah. tingkat energi. 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