Air matang membeku lebih cepat. Mengapa air panas lebih cepat membeku daripada air dingin?

21.11.2017 11.10.2018 Alexander Firtsev

« Air mana yang membeku lebih cepat dingin atau panas?”- coba ajukan pertanyaan kepada teman Anda, kemungkinan besar sebagian besar dari mereka akan menjawab bahwa air dingin membeku lebih cepat - dan membuat kesalahan.

Faktanya, jika Anda secara bersamaan memasukkan dua wadah dengan bentuk dan volume yang sama ke dalam freezer, salah satunya akan berisi air dingin dan yang lainnya panas, maka air panas akan membeku lebih cepat.

Pernyataan seperti itu mungkin tampak tidak masuk akal dan tidak masuk akal. Logikanya, air panas harus terlebih dahulu didinginkan menjadi suhu dingin, dan air dingin seharusnya sudah berubah menjadi es saat ini.

Jadi mengapa air panas menyalip air dingin dalam perjalanannya ke titik beku? Mari kita coba mencari tahu.

Sejarah observasi dan penelitian

Orang-orang telah mengamati efek paradoks sejak zaman kuno, tetapi tidak ada yang menganggapnya penting. Jadi inkonsistensi dalam tingkat pembekuan air dingin dan panas dicatat dalam catatan mereka oleh Arestotel, serta oleh Rene Descartes dan Francis Bacon. Fenomena yang tidak biasa sering memanifestasikan dirinya dalam kehidupan sehari-hari.

Untuk waktu yang lama, fenomena itu tidak dipelajari dengan cara apa pun dan tidak banyak menarik minat para ilmuwan.

Studi tentang efek yang tidak biasa dimulai pada tahun 1963, ketika seorang mahasiswa ingin tahu dari Tanzania, Erasto Mpemba, memperhatikan bahwa susu panas untuk es krim membeku lebih cepat daripada susu dingin. Berharap mendapat penjelasan tentang penyebab efek yang tidak biasa itu, pemuda itu bertanya kepada guru fisikanya di sekolah. Namun, guru itu hanya menertawakannya.

Kemudian, Mpemba mengulangi percobaannya, tetapi dalam percobaannya dia tidak lagi menggunakan susu, tetapi air, dan efek paradoks itu terulang kembali.

Enam tahun kemudian, pada tahun 1969, Mpemba mengajukan pertanyaan ini kepada profesor fisika Dennis Osborne, yang datang ke sekolahnya. Profesor itu tertarik pada pengamatan pemuda itu, sebagai akibatnya, sebuah eksperimen dilakukan yang mengkonfirmasi adanya efeknya, tetapi alasan untuk fenomena ini tidak ditetapkan.

Sejak itu, fenomena itu disebut efek mpemba.

Sepanjang sejarah pengamatan ilmiah, banyak hipotesis telah dikemukakan tentang penyebab fenomena tersebut.

Jadi pada tahun 2012, British Royal Society of Chemistry akan mengumumkan kompetisi hipotesis untuk menjelaskan efek Mpemba. Para ilmuwan dari seluruh dunia berpartisipasi dalam kompetisi, total 22.000 karya ilmiah terdaftar. Terlepas dari jumlah artikel yang mengesankan, tidak satu pun dari mereka yang menjelaskan paradoks Mpemba.

Yang paling umum adalah versi yang menurutnya, air panas membeku lebih cepat, karena ia menguap lebih cepat, volumenya menjadi lebih kecil, dan ketika volumenya berkurang, laju pendinginannya meningkat. Versi yang paling umum akhirnya disangkal, karena percobaan dilakukan di mana penguapan dikeluarkan, tetapi efeknya tetap dikonfirmasi.

Ilmuwan lain percaya bahwa alasan efek Mpemba adalah penguapan gas yang larut dalam air. Menurut pendapat mereka, selama proses pemanasan, gas yang dilarutkan dalam air menguap, karena itu ia memperoleh kerapatan yang lebih tinggi daripada air dingin. Seperti diketahui, peningkatan densitas menyebabkan perubahan sifat fisik air (peningkatan konduktivitas termal), dan karenanya peningkatan laju pendinginan.

Selain itu, sejumlah hipotesis telah diajukan yang menggambarkan laju sirkulasi air sebagai fungsi suhu. Dalam banyak penelitian, upaya dilakukan untuk menetapkan hubungan antara bahan wadah di mana cairan itu berada. Banyak teori tampak sangat masuk akal, tetapi mereka tidak dapat dikonfirmasi secara ilmiah karena kurangnya data awal, kontradiksi dalam eksperimen lain, atau karena fakta bahwa faktor-faktor yang diidentifikasi tidak sebanding dengan laju pendinginan air. Beberapa ilmuwan dalam karyanya mempertanyakan keberadaan efek tersebut.

Pada tahun 2013, para peneliti di Nanyang Technological University di Singapura mengklaim telah memecahkan misteri efek Mpemba. Menurut penelitian mereka, alasan fenomena tersebut terletak pada kenyataan bahwa jumlah energi yang tersimpan dalam ikatan hidrogen antara molekul air dingin dan panas berbeda secara signifikan.

Metode simulasi komputer telah menunjukkan hasil berikut: semakin tinggi suhu air, semakin besar jarak antara molekul karena fakta bahwa gaya tolak meningkat. Akibatnya, ikatan hidrogen molekul diregangkan, menyimpan lebih banyak energi. Ketika didinginkan, molekul mulai mendekati satu sama lain, melepaskan energi dari ikatan hidrogen. Dalam hal ini, pelepasan energi disertai dengan penurunan suhu.

Pada Oktober 2017, fisikawan Spanyol, dalam studi lain, menemukan bahwa penghilangan materi dari kesetimbangan (pemanasan kuat sebelum pendinginan kuat) yang memainkan peran besar dalam pembentukan efek. Mereka menentukan kondisi di mana kemungkinan efeknya maksimum. Selain itu, para ilmuwan dari Spanyol telah mengkonfirmasi adanya efek Mpemba terbalik. Mereka menemukan bahwa ketika dipanaskan, sampel yang lebih dingin dapat mencapai suhu tinggi lebih cepat daripada yang hangat.

Meskipun informasi lengkap dan banyak percobaan, para ilmuwan berniat untuk terus mempelajari efeknya.

Efek Mpemba dalam kehidupan nyata

Pernahkah Anda bertanya-tanya mengapa di musim dingin gelanggang es diisi dengan air panas dan tidak dingin? Seperti yang sudah Anda pahami, mereka melakukan ini karena arena seluncur yang diisi dengan air panas akan membeku lebih cepat daripada jika diisi dengan air dingin. Untuk alasan yang sama, seluncuran di kota es musim dingin dituangkan dengan air panas.

Dengan demikian, pengetahuan tentang keberadaan fenomena tersebut memungkinkan orang menghemat waktu saat menyiapkan lokasi untuk olahraga musim dingin.

Selain itu, efek Mpemba terkadang digunakan dalam industri - untuk mengurangi waktu pembekuan produk, zat, dan bahan yang mengandung air.

efek mpemba(Mpemba paradoks) - sebuah paradoks yang menyatakan bahwa air panas dalam kondisi tertentu membeku lebih cepat daripada air dingin, meskipun harus melewati suhu air dingin dalam proses pembekuan. Paradoks ini adalah fakta eksperimental yang bertentangan dengan ide-ide biasa, yang menurutnya, di bawah kondisi yang sama, benda yang lebih panas membutuhkan lebih banyak waktu untuk mendingin ke suhu tertentu daripada benda yang lebih dingin untuk mendingin ke suhu yang sama.

Fenomena ini diperhatikan pada saat itu oleh Aristoteles, Francis Bacon dan Rene Descartes, tetapi hanya pada tahun 1963, anak sekolah Tanzania Erasto Mpemba menemukan bahwa campuran es krim panas membeku lebih cepat daripada yang dingin.

Erasto Mpemba adalah seorang siswa di Sekolah Menengah Magambin di Tanzania yang melakukan pekerjaan memasak praktis. Dia harus membuat es krim buatan sendiri - merebus susu, melarutkan gula di dalamnya, mendinginkannya hingga suhu kamar, lalu memasukkannya ke dalam lemari es untuk dibekukan. Rupanya, Mpemba bukanlah siswa yang rajin dan suka menunda-nunda tugas bagian pertama. Khawatir bahwa dia tidak akan tepat waktu pada akhir pelajaran, dia memasukkan susu yang masih panas ke dalam lemari es. Yang mengejutkannya, itu membeku lebih awal dari susu rekan-rekannya, disiapkan sesuai dengan teknologi yang diberikan.

Setelah itu, Mpemba bereksperimen tidak hanya dengan susu, tetapi juga dengan air biasa. Bagaimanapun, sudah menjadi siswa di Sekolah Menengah Mkwawa, dia bertanya kepada Profesor Dennis Osborne dari University College di Dar es Salaam (diundang oleh direktur sekolah untuk memberikan kuliah tentang fisika kepada siswa) tentang air: "Jika Anda mengambil dua wadah identik dengan volume air yang sama sehingga di salah satunya air memiliki suhu 35 ° C, dan di wadah lain - 100 ° C, dan dimasukkan ke dalam freezer, kemudian di wadah kedua air akan membeku lebih cepat. Mengapa? Osborne menjadi tertarik dengan masalah ini dan segera pada tahun 1969, bersama dengan Mpemba, mereka mempublikasikan hasil eksperimen mereka dalam jurnal "Pendidikan Fisika". Sejak itu, efek yang mereka temukan disebut efek mpemba.

Sampai saat ini, tidak ada yang tahu persis bagaimana menjelaskan efek aneh ini. Para ilmuwan tidak memiliki satu versi, meskipun ada banyak. Ini semua tentang perbedaan sifat air panas dan dingin, tetapi belum jelas sifat mana yang berperan dalam kasus ini: perbedaan pendinginan, penguapan, pembentukan es, konveksi, atau efek gas cair pada air di suhu yang berbeda.

Paradoks efek Mpemba adalah bahwa waktu selama tubuh mendingin ke suhu lingkungan harus sebanding dengan perbedaan suhu antara tubuh ini dan lingkungan. Hukum ini ditetapkan oleh Newton dan sejak itu telah dikonfirmasi berkali-kali dalam praktik. Dalam efek yang sama, air pada 100 ° C mendingin hingga 0 ° C lebih cepat daripada jumlah air yang sama pada 35 ° C.

Namun, ini belum menyiratkan paradoks, karena efek Mpemba juga dapat dijelaskan dalam fisika yang diketahui. Berikut adalah beberapa penjelasan untuk efek Mpemba:

Penguapan

Efek penguapan adalah efek ganda. Pertama, massa air yang dibutuhkan untuk pendinginan berkurang. Dan kedua, suhu menurun karena fakta bahwa panas penguapan transisi dari fase air ke fase uap berkurang.

perbedaan suhu

Karena kenyataan bahwa perbedaan suhu antara air panas dan udara dingin lebih besar - maka pertukaran panas dalam hal ini lebih intens dan air panas mendingin lebih cepat.

hipotermia

Ketika air didinginkan di bawah 0 C, tidak selalu membeku. Dalam kondisi tertentu, ia dapat mengalami pendinginan super sambil terus tetap cair pada suhu di bawah titik beku. Dalam beberapa kasus, air dapat tetap cair bahkan pada -20 C.

Alasan untuk efek ini adalah agar kristal es pertama mulai terbentuk, diperlukan pusat pembentukan kristal. Jika mereka tidak berada dalam air cair, maka supercooling akan berlanjut sampai suhu cukup turun sehingga kristal mulai terbentuk secara spontan. Ketika mereka mulai terbentuk dalam cairan yang sangat dingin, mereka akan mulai tumbuh lebih cepat, membentuk lumpur es yang akan membeku menjadi es.

Air panas paling rentan terhadap hipotermia karena pemanasan menghilangkan gas terlarut dan gelembung, yang pada gilirannya dapat berfungsi sebagai pusat pembentukan kristal es.

Mengapa hipotermia menyebabkan air panas membeku lebih cepat? Dalam kasus air dingin, yang tidak didinginkan, hal berikut terjadi. Dalam hal ini, lapisan es tipis akan terbentuk di permukaan kapal. Lapisan es ini akan bertindak sebagai penyekat antara air dan udara dingin dan akan mencegah penguapan lebih lanjut. Laju pembentukan kristal es dalam hal ini akan lebih sedikit. Dalam kasus air panas mengalami subcooling, air subcooled tidak memiliki lapisan permukaan pelindung es. Oleh karena itu, ia kehilangan panas lebih cepat melalui bagian atas yang terbuka.

Ketika proses supercooling berakhir dan air membeku, lebih banyak panas yang hilang dan oleh karena itu lebih banyak es yang terbentuk.

Banyak peneliti efek ini menganggap hipotermia sebagai faktor utama dalam kasus efek Mpemba.

Konveksi

Air dingin mulai membeku dari atas, sehingga memperburuk proses radiasi dan konveksi panas, dan karenanya kehilangan panas, sementara air panas mulai membeku dari bawah.

Efek ini dijelaskan oleh anomali dalam densitas air. Air memiliki massa jenis maksimum pada 4 C. Jika Anda mendinginkan air hingga 4 C dan meletakkannya pada suhu yang lebih rendah, lapisan permukaan air akan membeku lebih cepat. Karena air ini kurang padat daripada air pada suhu 4°C, ia akan tetap berada di permukaan, membentuk lapisan dingin yang tipis. Dalam kondisi tersebut, lapisan es tipis akan terbentuk di permukaan air untuk waktu yang singkat, tetapi lapisan es ini akan berfungsi sebagai isolator yang melindungi lapisan bawah air, yang akan tetap berada pada suhu 4 C. Oleh karena itu , pendinginan lebih lanjut akan lebih lambat.

Dalam kasus air panas, situasinya benar-benar berbeda. Lapisan permukaan air akan mendingin lebih cepat karena penguapan dan perbedaan suhu yang lebih besar. Selain itu, lapisan air dingin lebih padat daripada lapisan air panas, sehingga lapisan air dingin akan tenggelam, mengangkat lapisan air hangat ke permukaan. Sirkulasi air ini memastikan penurunan suhu yang cepat.

Tetapi mengapa proses ini tidak mencapai titik setimbang? Untuk menjelaskan efek Mpemba dari sudut pandang konveksi ini, perlu diasumsikan bahwa lapisan air dingin dan panas terpisah dan proses konveksi itu sendiri berlanjut setelah suhu air rata-rata turun di bawah 4 C.

Namun, tidak ada bukti eksperimental untuk mendukung hipotesis ini bahwa lapisan air dingin dan panas dipisahkan oleh konveksi.

gas terlarut dalam air

Air selalu mengandung gas yang terlarut di dalamnya - oksigen dan karbon dioksida. Gas-gas ini memiliki kemampuan untuk menurunkan titik beku air. Ketika air dipanaskan, gas-gas ini dilepaskan dari air karena kelarutannya dalam air pada suhu tinggi lebih rendah. Oleh karena itu, ketika air panas didinginkan, selalu ada lebih sedikit gas terlarut di dalamnya daripada di air dingin yang tidak dipanaskan. Oleh karena itu, titik beku air yang dipanaskan lebih tinggi dan membeku lebih cepat. 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 (serta lainnya) telah dipelajari dalam banyak percobaan, tetapi jawaban tegas untuk pertanyaan - yang mana yang memberikan reproduksi 100% efek Mpemba - belum diperoleh.

Jadi, misalnya, pada tahun 1995, fisikawan Jerman David Auerbach mempelajari pengaruh supercooling air pada efek ini. Dia menemukan bahwa air panas, yang mencapai keadaan sangat dingin, membeku pada suhu yang lebih tinggi daripada air dingin, dan karenanya lebih cepat daripada yang terakhir. Tetapi air dingin mencapai kondisi superdingin lebih cepat daripada air panas, sehingga mengimbangi kelambatan sebelumnya.

Selain itu, hasil Auerbach bertentangan dengan data sebelumnya bahwa air panas mampu mencapai lebih banyak pendinginan karena pusat kristalisasi yang lebih sedikit. Ketika air dipanaskan, gas-gas yang terlarut di dalamnya dikeluarkan darinya, dan ketika direbus, beberapa garam yang terlarut di dalamnya mengendap.

Sejauh ini, hanya satu hal yang dapat ditegaskan - reproduksi efek ini pada dasarnya tergantung pada kondisi di mana eksperimen dilakukan. Justru karena tidak selalu direproduksi.

O.V. Mosin

Sastrasumber:

"Air panas membeku lebih cepat daripada 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 Dingin", G.S. Kell dalam American Journal of Physics, Vol. 37, tidak. 5, hlm. 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.

Fenomena air panas membeku lebih cepat daripada air dingin dikenal dalam sains sebagai efek Mpemba. Pikiran besar seperti Aristoteles, Francis Bacon dan Rene Descartes merenungkan fenomena paradoks ini, tetapi selama ribuan tahun belum ada yang bisa memberikan penjelasan yang masuk akal untuk fenomena ini.

Baru pada tahun 1963, seorang anak sekolah dari Republik Tanganyika, Erasto Mpemba, memperhatikan efek ini pada contoh es krim, tetapi tidak ada orang dewasa yang memberinya penjelasan. Namun demikian, fisikawan dan ahli kimia dengan serius memikirkan fenomena yang begitu sederhana, tetapi sangat tidak dapat dipahami.

Sejak itu, versi yang berbeda telah diungkapkan, salah satunya adalah sebagai berikut: bagian dari air panas hanya menguap pada awalnya, dan kemudian, ketika jumlah yang lebih kecil tersisa, air membeku lebih cepat. Versi ini, karena kesederhanaannya, menjadi yang paling populer, tetapi para ilmuwan tidak sepenuhnya puas.

Sekarang tim peneliti dari Nanyang Technological University di Singapura, yang dipimpin oleh ahli kimia Xi Zhang, mengatakan mereka telah memecahkan misteri kuno mengapa air hangat membeku lebih cepat daripada air dingin. Seperti yang ditemukan oleh para ahli Cina, rahasianya terletak pada jumlah energi yang tersimpan dalam ikatan hidrogen antara molekul air.

Seperti yang Anda ketahui, molekul air terdiri dari satu atom oksigen dan dua atom hidrogen yang disatukan oleh ikatan kovalen, yang pada tingkat partikel terlihat seperti pertukaran elektron. Fakta terkenal lainnya adalah bahwa atom hidrogen tertarik pada atom oksigen dari molekul tetangga - ini membentuk ikatan hidrogen.

Pada saat yang sama, molekul air secara keseluruhan saling tolak. Para ilmuwan dari Singapura memperhatikan bahwa semakin hangat air, semakin besar jarak antara molekul-molekul cairan karena peningkatan gaya tolak. Akibatnya, ikatan hidrogen meregang, dan karenanya menyimpan lebih banyak energi. Energi ini dilepaskan ketika air mendingin - molekul-molekulnya saling mendekat. Dan kembalinya energi, seperti yang Anda tahu, berarti pendinginan.

Seperti yang ditulis ahli kimia dalam artikel mereka, yang dapat ditemukan di situs pracetak arXiv.org, ikatan hidrogen diregangkan lebih kuat di air panas daripada di air dingin. Jadi, ternyata lebih banyak energi disimpan dalam ikatan hidrogen air panas, yang berarti lebih banyak energi yang dilepaskan ketika didinginkan hingga suhu di bawah nol derajat. Untuk alasan ini, pembekuan lebih cepat.

Sampai saat ini, para ilmuwan telah memecahkan teka-teki ini hanya secara teoritis. Ketika mereka menyajikan bukti yang meyakinkan dari versi mereka, maka pertanyaan mengapa air panas membeku lebih cepat daripada air dingin dapat dianggap tertutup.

Dalam formula lama yang bagus H 2 O, tampaknya tidak ada rahasia. Namun nyatanya, air - sumber kehidupan dan cairan paling terkenal di dunia - penuh dengan banyak misteri yang terkadang bahkan tidak dapat dipecahkan oleh para ilmuwan.

Berikut adalah 5 fakta paling menarik tentang air:

1. Air panas membeku lebih cepat daripada air dingin

Ambil dua wadah air: tuangkan air panas ke satu wadah dan air dingin ke wadah lainnya, lalu masukkan ke dalam freezer. Air panas akan membeku lebih cepat daripada air dingin, meskipun secara logika, air dingin seharusnya berubah menjadi es terlebih dahulu: lagipula, air panas harus didinginkan terlebih dahulu ke suhu dingin, dan kemudian berubah menjadi es, sedangkan air dingin tidak perlu didinginkan. Mengapa ini terjadi?

Pada tahun 1963, Erasto B. Mpemba, seorang siswa sekolah menengah atas di Tanzania, ketika membekukan campuran es krim yang telah disiapkan, memperhatikan bahwa campuran panas lebih cepat mengeras di dalam freezer daripada yang dingin. Ketika pemuda itu berbagi penemuannya dengan seorang guru fisika, dia hanya menertawakannya. Untungnya, siswa itu gigih dan meyakinkan guru untuk melakukan percobaan, yang mengkonfirmasi penemuannya: dalam kondisi tertentu, air panas benar-benar membeku lebih cepat daripada air dingin.

Sekarang fenomena air panas yang membeku lebih cepat daripada air dingin ini disebut efek Mpemba. Benar, jauh sebelum dia, sifat unik air ini dicatat oleh Aristoteles, Francis Bacon, dan Rene Descartes.

Para ilmuwan tidak sepenuhnya memahami sifat dari fenomena ini, menjelaskannya baik dengan perbedaan hipotermia, penguapan, pembentukan es, konveksi, atau efek gas cair pada air panas dan dingin.

Catatan dari .RU untuk topik "Air panas membeku lebih cepat daripada air dingin".

Karena masalah pendinginan lebih dekat dengan kita, spesialis pendinginan, mari kita menggali sedikit lebih dalam esensi masalah ini dan memberikan dua pendapat tentang sifat dari fenomena misterius tersebut.

1. Seorang ilmuwan Universitas Washington telah menawarkan penjelasan untuk fenomena misterius yang dikenal sejak zaman Aristoteles: mengapa air panas membeku lebih cepat daripada air dingin.

Fenomena yang disebut efek Mpemba ini banyak digunakan dalam praktik. Misalnya, para ahli menyarankan pengendara untuk menuangkan air dingin daripada air panas ke dalam reservoir mesin cuci di musim dingin. Tapi apa yang mendasari fenomena ini tetap tidak diketahui untuk waktu yang lama.

Dr Jonathan Katz dari University of Washington menyelidiki fenomena ini dan menyimpulkan bahwa zat terlarut dalam air memainkan peran penting di dalamnya, yang mengendap ketika dipanaskan, lapor EurekAlert.

Dengan zat terlarut, Dr. Katz berarti kalsium dan magnesium bikarbonat yang ditemukan dalam air sadah. Ketika air dipanaskan, zat-zat ini mengendap, membentuk kerak di dinding ketel. Air yang tidak pernah dipanaskan mengandung kotoran ini. Saat membeku dan kristal es terbentuk, konsentrasi kotoran dalam air meningkat 50 kali lipat. Ini menurunkan titik beku air. "Dan sekarang airnya harus mendingin agar bisa membeku," jelas Dr. Katz.

Ada alasan kedua yang mencegah pembekuan air yang tidak dipanaskan. Menurunkan titik beku air mengurangi perbedaan suhu antara fase padat dan cair. "Karena kecepatan air kehilangan panas bergantung pada perbedaan suhu ini, air yang belum dipanaskan cenderung tidak mendingin," kata Dr. Katz.

Menurut ilmuwan, teorinya dapat diuji secara eksperimental, karena. efek Mpemba menjadi lebih jelas untuk air yang lebih keras.

2. Oksigen ditambah hidrogen ditambah dingin menciptakan es. Sepintas, zat transparan ini tampak sangat sederhana. Faktanya, es itu penuh dengan banyak misteri. Es yang diciptakan oleh Erasto Mpemba dari Afrika tidak memikirkan tentang kejayaan. Hari-hari itu panas. Dia ingin es loli. Dia mengambil sekotak jus dan memasukkannya ke dalam freezer. Dia melakukan ini lebih dari sekali dan karena itu memperhatikan bahwa jus membeku sangat cepat, jika Anda menahannya di bawah sinar matahari sebelum itu - panaskan saja! Ini aneh, pikir anak sekolah Tanzania, yang bertindak bertentangan dengan kebijaksanaan duniawi. Mungkinkah agar cairan berubah menjadi es lebih cepat, harus terlebih dahulu ... dipanaskan? Pemuda itu sangat terkejut sehingga dia membagikan tebakannya kepada gurunya. Dia melaporkan keingintahuan ini di media.

Kisah ini terjadi pada tahun 1960-an. Sekarang "efek Mpemba" sudah dikenal oleh para ilmuwan. Tetapi untuk waktu yang lama fenomena yang tampaknya sederhana ini tetap menjadi misteri. Mengapa air panas lebih cepat membeku daripada air dingin?

Baru pada tahun 1996 fisikawan David Auerbach menemukan solusi. Untuk menjawab pertanyaan ini, dia melakukan percobaan selama setahun penuh: dia memanaskan air dalam gelas dan mendinginkannya lagi. Jadi apa yang dia temukan? Saat dipanaskan, gelembung udara yang larut dalam air menguap. Air tanpa gas lebih mudah membeku di dinding bejana. "Tentu saja, air dengan kandungan udara tinggi juga akan membeku," kata Auerbach, "tetapi tidak pada nol derajat Celcius, tetapi hanya pada minus empat hingga enam derajat." Tentu saja, Anda harus menunggu lebih lama. Jadi, air panas membeku sebelum air dingin, ini adalah fakta ilmiah.

Hampir tidak ada zat yang akan muncul di depan mata kita dengan kemudahan yang sama seperti es. Ini hanya terdiri dari molekul air - yaitu, molekul dasar yang mengandung dua atom hidrogen dan satu oksigen. Namun, es mungkin adalah zat paling misterius di alam semesta. Para ilmuwan belum dapat menjelaskan beberapa sifatnya sejauh ini.

2. Pendinginan super dan pembekuan "flash"

Semua orang tahu bahwa air selalu berubah menjadi es ketika mendingin hingga 0 °C... kecuali dalam beberapa kasus! Kasus seperti itu, misalnya, "supercooling", yang merupakan sifat air yang sangat murni untuk tetap cair bahkan ketika didinginkan di bawah titik beku. Fenomena ini menjadi mungkin karena fakta bahwa lingkungan tidak mengandung pusat kristalisasi atau inti yang dapat memicu pembentukan kristal es. Jadi air tetap dalam bentuk cair, bahkan ketika didinginkan hingga suhu di bawah nol derajat Celcius. Proses kristalisasi dapat dipicu, misalnya oleh gelembung gas, pengotor (polusi), permukaan wadah yang tidak rata. Tanpa mereka, air akan tetap dalam keadaan cair. Saat proses kristalisasi dimulai, Anda dapat menyaksikan bagaimana air yang sangat dingin langsung berubah menjadi es.

Tonton videonya (2 901 Kb, 60 c) oleh Phil Medina (www.mrsciguy.com) dan buktikan sendiri >>

Komentar. Air superheated juga tetap cair bahkan ketika dipanaskan di atas titik didihnya.

3. Air "kaca"

Dengan cepat dan tanpa ragu-ragu, sebutkan berapa banyak negara bagian yang dimiliki air?

Jika Anda menjawab tiga (padat, cair, gas), maka Anda salah. Para ilmuwan membedakan setidaknya 5 keadaan air yang berbeda dalam bentuk cair dan 14 keadaan es.

Ingat percakapan tentang air super dingin? Jadi, apa pun yang Anda lakukan, pada -38 ° C, bahkan air superdingin yang paling murni pun tiba-tiba berubah menjadi es. Apa yang terjadi dengan penurunan lebih lanjut?

suhu? Pada -120 °C, sesuatu yang aneh mulai terjadi pada air: menjadi super-kental atau kental, seperti tetes tebu, dan pada suhu di bawah -135 °C berubah menjadi air "seperti kaca" atau "seperti kaca" - zat padat di mana tidak ada struktur kristal.

4. Sifat kuantum air

Pada tingkat molekuler, air bahkan lebih menakjubkan. Pada tahun 1995, para ilmuwan melakukan percobaan pada hamburan neutron memberikan hasil yang tidak terduga: fisikawan menemukan bahwa neutron yang ditujukan pada molekul air "melihat" 25% lebih sedikit proton hidrogen dari yang diharapkan.

Ternyata pada kecepatan satu attosekon (10 -18 detik) terjadi efek kuantum yang tidak biasa, dan rumus kimia air, bukan yang biasa - H 2 O, menjadi H 1,5 O!

5. Apakah air memiliki memori?

Homeopati, alternatif pengobatan konvensional, mengklaim bahwa larutan encer dari produk obat dapat memiliki efek penyembuhan pada tubuh, bahkan jika faktor pengencerannya sangat besar sehingga tidak ada yang tersisa dalam larutan kecuali molekul air. Pendukung homeopati menjelaskan paradoks ini dengan konsep yang disebut "memori air", yang menurutnya air pada tingkat molekuler memiliki "memori" zat yang pernah dilarutkan di dalamnya dan mempertahankan sifat larutan konsentrasi asli setelah tidak molekul tunggal bahan tetap di dalamnya.

Sebuah tim ilmuwan internasional yang dipimpin oleh Profesor Madeleine Ennis dari Queen's University of Belfast, yang mengkritik prinsip-prinsip homeopati, melakukan percobaan pada tahun 2002 untuk menyangkal konsep ini untuk selamanya. Hasilnya adalah sebaliknya. Setelah itu, para ilmuwan mengatakan bahwa mereka mampu membuktikan realitas efek "memori air. Namun, eksperimen yang dilakukan di bawah pengawasan ahli independen, tidak membawa hasil. Perselisihan tentang keberadaan fenomena "memori air" terus berlanjut.

Air memiliki banyak sifat tidak biasa lainnya yang belum kami bahas dalam artikel ini.

Literatur.

1. 5 Hal Aneh Tentang Air / http://www.neatorama.com.
2. Misteri air: teori efek Aristoteles-Mpemba diciptakan / http://www.o8ode.ru.
3. Nepomniachtchi N.N. Rahasia alam mati. Zat paling misterius di alam semesta / http://www.bibliotekar.ru.

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

Erasto Mpemba adalah seorang siswa di Sekolah Menengah Magambin di Tanzania yang melakukan pekerjaan memasak praktis. Dia harus membuat es krim buatan sendiri - merebus susu, melarutkan gula di dalamnya, mendinginkannya hingga suhu kamar, lalu memasukkannya ke dalam lemari es untuk dibekukan. Rupanya, Mpemba bukanlah siswa yang rajin dan suka menunda-nunda tugas bagian pertama. Khawatir bahwa dia tidak akan tepat waktu pada akhir pelajaran, dia memasukkan susu panas ke dalam lemari es. Yang mengejutkannya, itu membeku lebih awal dari susu rekan-rekannya, disiapkan sesuai dengan teknologi yang diberikan.

Dia menoleh ke guru fisika untuk klarifikasi, tetapi dia hanya menertawakan siswa itu, mengatakan sebagai berikut: "Ini bukan fisika dunia, tetapi fisika Mpemba." Setelah itu, Mpemba bereksperimen tidak hanya dengan susu, tetapi juga dengan air biasa.

Bagaimanapun, sudah menjadi siswa di Sekolah Menengah Mkwawa, dia bertanya kepada Profesor Dennis Osborne dari University College di Dar es Salaam (diundang oleh direktur sekolah untuk memberikan kuliah tentang fisika kepada para siswa) tentang air: “Jika Anda mengambil dua wadah identik dengan volume air yang sama sehingga di salah satunya air memiliki suhu 35 ° C, dan yang lain - 100 ° C, dan memasukkannya ke dalam freezer, kemudian di wadah kedua air akan membeku lebih cepat. Mengapa?" Osborn menjadi tertarik dengan masalah ini dan segera pada tahun 1969, bersama dengan Mpemba, mereka mempublikasikan hasil eksperimen mereka dalam jurnal Pendidikan Fisika. Sejak itu, efek yang mereka temukan disebut efek Mpemba.

Apakah Anda penasaran ingin tahu mengapa ini terjadi? Hanya beberapa tahun yang lalu, para ilmuwan berhasil menjelaskan fenomena ini ...

Efek Mpemba (Mpemba Paradox) adalah paradoks yang menyatakan bahwa air panas dalam kondisi tertentu membeku lebih cepat daripada air dingin, meskipun harus melewati suhu air dingin dalam proses pembekuan. Paradoks ini adalah fakta eksperimental yang bertentangan dengan ide-ide biasa, yang menurutnya, di bawah kondisi yang sama, benda yang lebih panas membutuhkan lebih banyak waktu untuk mendingin ke suhu tertentu daripada benda yang lebih dingin untuk mendingin ke suhu yang sama.

Fenomena ini diperhatikan pada saat itu oleh Aristoteles, Francis Bacon dan Rene Descartes. Sampai saat ini, tidak ada yang tahu persis bagaimana menjelaskan efek aneh ini. Para ilmuwan tidak memiliki satu versi, meskipun ada banyak. Ini semua tentang perbedaan sifat air panas dan dingin, tetapi belum jelas sifat mana yang berperan dalam kasus ini: perbedaan pendinginan, penguapan, pembentukan es, konveksi, atau efek gas cair pada air di suhu yang berbeda. Paradoks efek Mpemba adalah bahwa waktu selama tubuh mendingin ke suhu lingkungan harus sebanding dengan perbedaan suhu antara tubuh ini dan lingkungan. Hukum ini ditetapkan oleh Newton dan sejak itu telah dikonfirmasi berkali-kali dalam praktik. Dalam efek yang sama, air pada 100 ° C mendingin hingga 0 ° C lebih cepat daripada jumlah air yang sama pada 35 ° C.

Berikut adalah hipotesis yang dikemukakan oleh para ilmuwan:

Penguapan

Air panas menguap lebih cepat dari wadah, sehingga mengurangi volumenya, dan volume air yang lebih kecil dengan 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 kenyataan bahwa perbedaan suhu antara air panas dan udara dingin lebih besar - oleh karena itu, perpindahan panas dalam hal ini lebih intens dan air panas mendingin lebih cepat.

hipotermia
Ketika air didinginkan di bawah 0 ° C, tidak selalu membeku. Dalam kondisi tertentu, ia dapat mengalami pendinginan super sambil terus tetap cair pada suhu di bawah titik beku. Dalam beberapa kasus, air dapat tetap cair bahkan pada suhu -20°C. Alasan untuk efek ini adalah agar kristal es pertama mulai terbentuk, diperlukan pusat pembentukan kristal. Jika mereka tidak berada dalam air cair, maka supercooling akan berlanjut sampai suhu cukup turun sehingga kristal mulai terbentuk secara spontan. Ketika mereka mulai terbentuk dalam cairan yang sangat dingin, mereka akan mulai tumbuh lebih cepat, membentuk lumpur es yang akan membeku menjadi es. Air panas paling rentan terhadap hipotermia karena pemanasan menghilangkan gas terlarut dan gelembung, yang pada gilirannya dapat berfungsi sebagai pusat pembentukan kristal es. Mengapa hipotermia menyebabkan air panas membeku lebih cepat? Dalam kasus air dingin yang tidak didinginkan, yang terjadi adalah lapisan tipis es terbentuk di permukaannya, yang bertindak sebagai penyekat antara air dan udara dingin, dan dengan demikian mencegah penguapan lebih lanjut. Laju pembentukan kristal es dalam hal ini akan lebih sedikit. Dalam kasus air panas mengalami subcooling, air subcooled tidak memiliki lapisan permukaan pelindung es. Oleh karena itu, ia kehilangan panas lebih cepat melalui bagian atas yang terbuka. Ketika proses supercooling berakhir dan air membeku, lebih banyak panas yang hilang dan oleh karena itu lebih banyak es yang terbentuk. Banyak peneliti efek ini menganggap hipotermia sebagai faktor utama dalam kasus efek Mpemba.
Konveksi

Air dingin mulai membeku dari atas, sehingga memperburuk proses radiasi dan konveksi panas, dan karenanya kehilangan panas, sementara air panas mulai membeku dari bawah. Efek ini dijelaskan oleh anomali dalam densitas air. Air memiliki massa jenis maksimum pada suhu 4°C. Jika Anda mendinginkan air hingga 4°C dan menempatkannya di lingkungan bersuhu lebih rendah, lapisan permukaan air akan membeku lebih cepat. Karena air ini kurang padat daripada air pada suhu 4°C, ia akan tetap berada di permukaan, membentuk lapisan dingin yang tipis. Dalam kondisi ini, lapisan es tipis akan terbentuk di permukaan air untuk waktu yang singkat, tetapi lapisan es ini akan berfungsi sebagai isolator yang melindungi lapisan bawah air, yang akan tetap berada pada suhu 4°C. Oleh karena itu, proses pendinginan selanjutnya akan lebih lambat. Dalam kasus air panas, situasinya benar-benar berbeda. Lapisan permukaan air akan mendingin lebih cepat karena penguapan dan perbedaan suhu yang lebih besar. Selain itu, lapisan air dingin lebih padat daripada lapisan air panas, sehingga lapisan air dingin akan tenggelam, mengangkat lapisan air hangat ke permukaan. Sirkulasi air ini memastikan penurunan suhu yang cepat. Tetapi mengapa proses ini tidak mencapai titik setimbang? Untuk menjelaskan efek Mpemba dari sudut pandang konveksi, kita harus mengasumsikan bahwa lapisan air dingin dan panas dipisahkan dan proses konveksi itu sendiri berlanjut setelah suhu air rata-rata turun di bawah 4°C. Namun, tidak ada bukti eksperimental untuk mendukung hipotesis ini bahwa lapisan air dingin dan panas dipisahkan oleh konveksi.

gas terlarut dalam air

Konduktivitas termal

Mekanisme ini dapat memainkan peran penting ketika air ditempatkan di lemari es freezer dalam wadah kecil. Di bawah kondisi ini, telah diamati bahwa wadah dengan air panas melelehkan es freezer di bawahnya, sehingga meningkatkan kontak termal dengan dinding freezer dan konduktivitas termal. Akibatnya, panas dikeluarkan dari wadah air panas lebih cepat daripada dari wadah air dingin. Pada gilirannya, wadah dengan air dingin tidak melelehkan salju di bawahnya. Semua kondisi ini (serta lainnya) telah dipelajari dalam banyak eksperimen, tetapi jawaban yang jelas untuk pertanyaan - yang mana di antara mereka yang memberikan reproduksi 100% efek Mpemba - belum diperoleh. Jadi, misalnya, pada tahun 1995, fisikawan Jerman David Auerbach mempelajari pengaruh supercooling air pada efek ini. Dia menemukan bahwa air panas, yang mencapai keadaan sangat dingin, membeku pada suhu yang lebih tinggi daripada air dingin, dan karenanya lebih cepat daripada yang terakhir. Tetapi air dingin mencapai kondisi superdingin lebih cepat daripada air panas, sehingga mengimbangi kelambatan sebelumnya. Selain itu, hasil Auerbach bertentangan dengan data sebelumnya bahwa air panas mampu mencapai lebih banyak pendinginan karena pusat kristalisasi yang lebih sedikit. Ketika air dipanaskan, gas-gas yang terlarut di dalamnya dikeluarkan darinya, dan ketika dididihkan, beberapa garam yang terlarut di dalamnya mengendap. Sejauh ini, hanya satu hal yang dapat ditegaskan - reproduksi efek ini secara signifikan tergantung pada kondisi di mana eksperimen dilakukan. Justru karena tidak selalu direproduksi.

Dan inilah alasan yang paling mungkin.

Portal untuk siswa. Latihan mandiri

Sejarah observasi dan penelitian

Efek Mpemba dalam kehidupan nyata

ARTIKEL TERKAIT