Air panas membeku lebih cepat daripada air dingin. Air mana yang membeku lebih cepat: panas atau dingin? Tergantung pada apa

Efek mpemba atau kenapa air panas lebih cepat membeku daripada air dingin? 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 pembekuannya. Paradoks ini adalah fakta eksperimental yang bertentangan dengan gagasan biasa, yang menurutnya, dalam 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 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 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 menunda-nunda tugas bagian pertama. Khawatir dia tidak tepat waktu di akhir pelajaran, dia memasukkan susu yang masih panas ke dalam lemari es. Yang mengejutkan, itu membeku bahkan lebih awal dari susu rekan-rekannya, yang disiapkan sesuai dengan teknologi tertentu. Setelah itu, Mpemba bereksperimen tidak hanya dengan susu, tapi juga dengan air biasa. Bagaimanapun, sudah menjadi siswa di Sekolah Menengah Mkvava, 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 di wadah lainnya - 100 ° C, dan memasukkannya ke dalam freezer, lalu di wadah kedua air akan membeku. lebih cepat Mengapa? Osborne menjadi tertarik dengan masalah ini dan segera pada tahun 1969, bersama dengan Mpemba, mereka menerbitkan hasil eksperimennya di jurnal "Pendidikan Fisika". Sejak itu, efek yang mereka temukan disebut efek Mpemba. Hingga saat ini, belum ada yang tahu persis bagaimana menjelaskan efek aneh tersebut. Ilmuwan tidak memiliki satu versi pun, meski 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 temperatur yang berbeda. Paradoks efek Mpemba adalah bahwa waktu tubuh mendingin ke suhu sekitar harus sebanding dengan perbedaan suhu antara tubuh ini dan lingkungan. Hukum ini ditetapkan oleh Newton dan sejak itu telah dikonfirmasi berkali-kali dalam praktiknya. 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 ilmu fisika yang diketahui. Berikut beberapa penjelasan 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 saat 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 - karenanya pertukaran panas dalam hal ini lebih intensif dan air panas mendingin lebih cepat. Subcooling Ketika air didinginkan di bawah 0 C, air tidak selalu membeku. Dalam kondisi tertentu, ia dapat mengalami supercooling sambil tetap cair pada suhu di bawah titik beku. Dalam beberapa kasus, air dapat tetap cair bahkan pada suhu -20 C. Alasan efek ini adalah agar kristal es pertama mulai terbentuk, diperlukan pusat pembentukan kristal. Jika mereka tidak berada dalam air cair, pendinginan akan berlanjut hingga 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 memanaskannya menghilangkan gas dan gelembung terlarut, 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 bejana. 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 yang menjalani subcooling, air subcooled tidak memiliki lapisan pelindung permukaan 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 karenanya lebih banyak es 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 panas dan konveksi, dan karenanya kehilangan panas, sedangkan air panas mulai membeku dari bawah. Efek ini dijelaskan oleh anomali kerapatan air. Air memiliki kerapatan maksimum pada 4 C. Jika Anda mendinginkan air hingga 4 C dan meletakkannya pada suhu yang lebih rendah, lapisan permukaan air akan lebih cepat membeku. Karena air ini kurang padat 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 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 sangat berbeda. Lapisan permukaan air akan lebih cepat dingin 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 kesetimbangan? Untuk menjelaskan efek Mpemba dari sudut pandang konveksi ini, diasumsikan 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 data eksperimen yang akan mengkonfirmasi hipotesis ini bahwa lapisan air dingin dan panas dipisahkan oleh konveksi. Gas Terlarut dalam Air Air selalu mengandung gas terlarut di dalamnya - oksigen dan karbon dioksida. Gas-gas tersebut 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 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 tersebut. Konduktivitas Termal Mekanisme ini dapat memainkan peran penting ketika air ditempatkan di lemari es freezer dalam wadah kecil. Dalam kondisi ini, telah diamati bahwa wadah dengan air panas mencairkan es freezer di bawahnya, sehingga meningkatkan kontak termal dengan dinding freezer dan konduktivitas termal. Akibatnya, panas dikeluarkan dari wadah air panas lebih cepat daripada wadah dingin. Pada gilirannya, wadah dengan air dingin tidak melelehkan salju di bawahnya. Semua kondisi ini (serta lainnya) telah dipelajari dalam banyak eksperimen, tetapi jawaban tegas untuk pertanyaan - mana di antara kondisi tersebut yang memberikan reproduksi 100% dari efek Mpemba - belum diperoleh. Jadi, misalnya, pada tahun 1995, fisikawan Jerman David Auerbach mempelajari pengaruh pendinginan air pada efek ini. Dia menemukan bahwa air panas, mencapai keadaan sangat dingin, membeku pada suhu yang lebih tinggi daripada air dingin, dan karenanya lebih cepat daripada yang terakhir. Tetapi 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 larut di dalamnya dikeluarkan darinya, dan ketika direbus, beberapa garam yang larut di dalamnya mengendap. Sejauh ini, hanya satu hal yang dapat ditegaskan - reproduksi efek ini pada dasarnya bergantung pada kondisi di mana percobaan dilakukan. Justru karena tidak selalu direproduksi. O.V.Mosin

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

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 menunda-nunda tugas bagian pertama. Khawatir dia tidak tepat waktu di akhir pelajaran, dia memasukkan susu panas ke dalam lemari es. Yang mengejutkan, itu membeku bahkan lebih awal dari susu rekan-rekannya, yang disiapkan sesuai dengan teknologi tertentu.

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

Bagaimanapun, sudah menjadi siswa di Sekolah Menengah Mkvava, 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 di wadah lainnya - 100 ° C, dan memasukkannya ke dalam freezer, lalu di wadah kedua air akan membeku. lebih cepat. Mengapa?" Osborn menjadi tertarik dengan masalah ini dan segera pada tahun 1969, bersama dengan Mpemba, mereka menerbitkan hasil eksperimennya di jurnal Pendidikan Fisika. Sejak itu, efek yang mereka temukan disebut efek Mpemba.

Apakah Anda ingin tahu mengapa ini terjadi? 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 pembekuannya. Paradoks ini adalah fakta eksperimental yang bertentangan dengan gagasan biasa, yang menurutnya, dalam 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. Hingga saat ini, belum ada yang tahu persis bagaimana menjelaskan efek aneh tersebut. Ilmuwan tidak memiliki satu versi pun, meski 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 temperatur yang berbeda. Paradoks efek Mpemba adalah bahwa waktu tubuh mendingin ke suhu sekitar harus sebanding dengan perbedaan suhu antara tubuh ini dan lingkungan. Hukum ini ditetapkan oleh Newton dan sejak itu telah dikonfirmasi berkali-kali dalam praktiknya. Dalam efek yang sama, air pada 100°C mendingin hingga 0°C lebih cepat daripada jumlah air yang sama pada 35°C.

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

Sekarang tim peneliti dari Universitas Teknologi Nanyang 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 ditemukan para ahli China, 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 ke atom oksigen dari molekul tetangga - dalam hal ini, ikatan hidrogen terbentuk.

Pada saat yang sama, molekul air secara keseluruhan saling tolak. Ilmuwan dari Singapura memperhatikan bahwa semakin hangat air, semakin besar jarak antar molekul cairan karena peningkatan gaya tolak. Akibatnya, ikatan hidrogen meregang, dan karena itu menyimpan lebih banyak energi. Energi ini dilepaskan saat air mendingin - molekul saling mendekati. Dan kembalinya energi, seperti yang Anda ketahui, berarti pendinginan.

Berikut adalah hipotesis yang diajukan 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 saat 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 - oleh karena itu, perpindahan panas dalam hal ini lebih intens dan air panas mendingin lebih cepat.

hipotermia
Ketika air didinginkan di bawah 0°C, air tidak selalu membeku. Dalam kondisi tertentu, ia dapat mengalami supercooling sambil 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, pendinginan akan berlanjut hingga 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 memanaskannya menghilangkan gas dan gelembung terlarut, yang pada gilirannya dapat berfungsi sebagai pusat pembentukan kristal es. Mengapa hipotermia menyebabkan air panas membeku lebih cepat? Dalam kasus air dingin yang tidak superdingin, yang terjadi adalah lapisan tipis es 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 sedikit. Dalam kasus air panas yang menjalani subcooling, air subcooled tidak memiliki lapisan pelindung permukaan 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 karenanya lebih banyak es 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 panas dan konveksi, dan karenanya kehilangan panas, sedangkan air panas mulai membeku dari bawah. Efek ini dijelaskan oleh anomali kerapatan air. Air memiliki kerapatan maksimum pada suhu 4°C. Jika Anda mendinginkan air hingga 4°C dan menempatkannya di lingkungan dengan suhu lebih rendah, lapisan permukaan air akan membeku lebih cepat. Karena air ini kurang padat dibandingkan air pada suhu 4°C, air ini 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, namun lapisan es ini akan berfungsi sebagai isolator yang melindungi lapisan bawah air, yang akan tetap pada suhu 4°C. Oleh karena itu, proses pendinginan selanjutnya akan lebih lambat. Dalam kasus air panas, situasinya sangat 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 kesetimbangan? Untuk menjelaskan efek Mpemba dari sudut pandang konveksi, diasumsikan 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 yang mendukung hipotesis bahwa lapisan air dingin dan panas dipisahkan oleh konveksi.

gas terlarut dalam air

Air selalu mengandung gas terlarut di dalamnya - oksigen dan karbon dioksida. Gas-gas tersebut 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 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 tersebut.

Konduktivitas termal

Mekanisme ini dapat memainkan peran penting saat air ditempatkan di lemari es freezer dalam wadah kecil. Dalam kondisi ini, telah diamati bahwa wadah dengan air panas mencairkan es freezer di bawahnya, sehingga meningkatkan kontak termal dengan dinding freezer dan konduktivitas termal. Akibatnya, panas dikeluarkan dari wadah air panas lebih cepat daripada wadah dingin. Pada gilirannya, wadah dengan air dingin tidak melelehkan salju di bawahnya. Semua kondisi ini (serta lainnya) telah dipelajari dalam banyak percobaan, tetapi jawaban yang jelas untuk pertanyaan - mana yang memberikan reproduksi 100% dari efek Mpemba - belum diperoleh. Jadi, misalnya, pada tahun 1995, fisikawan Jerman David Auerbach mempelajari pengaruh pendinginan air pada efek ini. Dia menemukan bahwa air panas, mencapai keadaan sangat dingin, membeku pada suhu yang lebih tinggi daripada air dingin, dan karenanya lebih cepat daripada yang terakhir. Tetapi 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. Saat air dipanaskan, gas yang terlarut di dalamnya dikeluarkan darinya, dan saat direbus, beberapa garam yang terlarut di dalamnya mengendap. Sejauh ini, hanya satu hal yang dapat ditegaskan - reproduksi efek ini sangat bergantung pada kondisi di mana percobaan dilakukan. Justru karena tidak selalu direproduksi.

Dan inilah alasan yang paling mungkin.

Seperti yang ditulis ahli kimia dalam artikel mereka, yang dapat ditemukan di situs pracetak arXiv.org, ikatan hidrogen teregang lebih kuat di air panas daripada di air dingin. Jadi, ternyata lebih banyak energi yang disimpan dalam ikatan hidrogen air panas, yang berarti lebih banyak energi yang dilepaskan saat didinginkan hingga suhu di bawah nol. Karena 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 versinya, maka pertanyaan mengapa air panas membeku lebih cepat daripada air dingin dapat dianggap tertutup.

Air mana yang lebih cepat membeku, panas atau dingin, dipengaruhi oleh banyak faktor, tetapi pertanyaannya sendiri agak aneh. Dapat dipahami, dan diketahui secara fisika, bahwa air panas masih membutuhkan waktu untuk mendingin hingga suhu air dingin yang sebanding untuk berubah menjadi es. tahap ini dapat dilewati, dan karenanya, dia menang tepat waktu.

Tetapi jawaban atas pertanyaan air mana yang membeku lebih cepat - dingin atau panas - di jalan dalam cuaca beku, diketahui oleh setiap penduduk garis lintang utara. Nyatanya, secara ilmiah, ternyata bagaimanapun juga, air dingin harus membeku lebih cepat.

Begitu pula guru fisika yang didekati oleh anak sekolah Erasto Mpemba pada tahun 1963 dengan permintaan untuk menjelaskan mengapa campuran es krim masa depan yang dingin membeku lebih lama dari yang serupa, tetapi panas.

"Ini bukan fisika dunia, tapi sejenis fisika Mpemba"

Saat itu, sang guru hanya menertawakan hal tersebut, namun Deniss Osborne, seorang profesor fisika, yang pernah bersekolah di sekolah yang sama tempat Erasto belajar, secara eksperimental membenarkan adanya efek tersebut, meski saat itu belum ada penjelasannya. . Pada tahun 1969 sebuah jurnal ilmiah populer menerbitkan sebuah artikel bersama oleh dua orang yang menggambarkan efek aneh ini.

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

Pertanyaannya sudah ada sejak lama

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

Berikut adalah pendekatan untuk memecahkan paradoks ini mulai terlihat hanya pada akhir abad kedua puluh.

Kondisi untuk terjadinya paradoks

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

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

Freezer telah lama dicairkan

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

Atas bawah

Juga, fenomena air membeku lebih cepat - panas atau dingin, dijelaskan sebagai berikut. Mengikuti hukum tertentu, air dingin mulai membeku dari lapisan atas, ketika air panas sebaliknya - 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 dari eksperimen amatir terlampir, dan di sini terlihat jelas.

Panas padam, cenderung ke atas, dan di sana bertemu lapisan yang sangat dingin. Tidak ada jalur bebas radiasi panas, sehingga proses pendinginan menjadi sulit. Air panas sama sekali tidak memiliki penghalang seperti itu di jalurnya. Mana yang membeku lebih cepat - dingin atau panas, yang bergantung pada kemungkinan hasil, Anda dapat memperluas jawabannya dengan mengatakan bahwa air apa pun memiliki zat tertentu yang larut di dalamnya.

Kotoran dalam komposisi air sebagai faktor yang mempengaruhi hasil

Jika Anda tidak curang dan menggunakan air dengan komposisi yang sama, di mana konsentrasi zat tertentu identik, maka air dingin akan lebih cepat membeku. Tetapi jika suatu situasi terjadi ketika unsur-unsur kimia terlarut hanya ada dalam air panas, sementara air dingin tidak memilikinya, maka air panas memiliki kesempatan untuk membeku lebih awal. Ini dijelaskan oleh fakta bahwa zat terlarut dalam air menciptakan pusat kristalisasi, dan dengan sejumlah kecil pusat ini, sulit untuk mengubah air menjadi padat. Bahkan pendinginan air pun dimungkinkan, dalam artian pada suhu di bawah nol akan berada dalam keadaan cair.

Tetapi semua versi ini, tampaknya, tidak cocok untuk para ilmuwan sampai akhir, dan mereka terus mengerjakan masalah ini. Pada 2013, tim peneliti di Singapura mengatakan mereka telah memecahkan misteri kuno tersebut.

Sekelompok ilmuwan Cina mengklaim bahwa rahasia dari efek ini terletak pada jumlah energi yang tersimpan di antara molekul air dalam ikatannya, yang disebut ikatan hidrogen.

Jawaban dari ilmuwan Cina

Informasi lebih lanjut akan menyusul, untuk memahaminya perlu memiliki pengetahuan kimia untuk mengetahui air mana yang membeku lebih cepat - panas atau dingin. Seperti yang Anda ketahui, itu terdiri dari dua atom H (hidrogen) dan satu atom O (oksigen) yang disatukan oleh ikatan kovalen.

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

Pada saat yang sama, perlu diingat bahwa pada saat yang sama, molekul air saling tolak. Para ilmuwan mencatat bahwa ketika air dipanaskan, jarak antar molekulnya meningkat, dan ini difasilitasi oleh gaya tolak. Ternyata menempati satu jarak antar molekul dalam keadaan dingin, dapat dikatakan bahwa mereka meregang, dan mereka memiliki pasokan energi yang lebih besar. Cadangan energi inilah yang dilepaskan ketika molekul air mulai saling mendekati, yaitu terjadi pendinginan. Ternyata suplai energi yang lebih besar dalam air panas, dan pelepasannya yang lebih besar saat didinginkan hingga suhu di bawah nol, terjadi lebih cepat daripada di air dingin, yang memiliki suplai energi yang lebih kecil. Jadi air mana yang membeku lebih cepat - dingin atau panas? Di jalan dan di laboratorium, paradoks Mpemba harus terjadi, dan air panas akan berubah menjadi es lebih cepat.

Tapi pertanyaannya masih terbuka

Hanya ada konfirmasi teoretis dari petunjuk ini - semua ini ditulis dalam formula yang indah dan tampaknya masuk akal. Tetapi ketika data eksperimen, air mana yang membeku lebih cepat - panas atau dingin, akan dimasukkan ke dalam arti praktis, dan hasilnya akan disajikan, maka pertanyaan tentang paradoks Mpemba ditutup dapat dipertimbangkan.

Banyak peneliti telah mengajukan dan mengajukan versi mereka sendiri tentang mengapa air panas membeku lebih cepat daripada air dingin. Tampaknya paradoks - lagipula, untuk membekukan, air panas harus didinginkan terlebih dahulu. Namun, faktanya tetap ada, dan para ilmuwan menjelaskannya dengan cara yang berbeda.

Saat ini, ada beberapa versi yang menjelaskan fakta tersebut:

1. Karena penguapan dalam air panas lebih cepat, volumenya berkurang. Sejumlah kecil air dengan suhu yang sama membeku lebih cepat.
2. Kompartemen freezer lemari es memiliki lapisan salju. Sebuah wadah berisi air panas mencairkan salju di bawahnya. Ini meningkatkan kontak termal dengan freezer.
3. Pembekuan air dingin, tidak seperti air panas, dimulai dari atas. Dalam hal ini, konveksi dan radiasi panas, dan akibatnya, kehilangan panas semakin parah.
4. Di air dingin ada pusat kristalisasi - zat terlarut di dalamnya. Dengan sedikit kandungannya dalam air, icing menjadi sulit, meskipun pada saat yang sama, hipotermia mungkin terjadi - ketika ia memiliki keadaan cair pada suhu di bawah nol.

Meski secara adil dapat dikatakan bahwa efek ini tidak selalu diamati. Air dingin seringkali membeku lebih cepat daripada air panas.

Pada suhu berapa air membeku

Mengapa air membeku sama sekali? Ini mengandung sejumlah mineral atau partikel organik. Ini, misalnya, bisa berupa partikel pasir, debu, atau tanah liat yang sangat halus. Saat suhu udara turun, partikel-partikel ini menjadi pusat di mana kristal es terbentuk.

Peran inti kristalisasi juga dapat dilakukan oleh gelembung udara dan retakan dalam wadah berisi air. Laju proses pengubahan air menjadi es sangat dipengaruhi oleh jumlah pusat tersebut - jika jumlahnya banyak, cairan membeku lebih cepat. Dalam kondisi normal, dengan tekanan atmosfer normal, air berubah menjadi padat dari cairan pada suhu 0 derajat.

Inti dari efek Mpemba

Efek Mpemba dipahami sebagai 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 Erasto Mpemba, seorang anak sekolah dari Tanzania, menetapkan bahwa es krim panas membeku dalam waktu yang lebih singkat daripada es krim dingin. Dia membuat kesimpulan seperti itu saat melakukan tugas memasak.

Dia harus melarutkan gula dalam susu rebus dan, setelah mendinginkannya, memasukkannya ke dalam lemari es untuk dibekukan. Rupanya, Mpemba tidak berbeda dalam ketekunan khusus dan mulai terlambat menjalankan tugas bagian pertama. Karena itu, dia tidak menunggu susu menjadi dingin, dan memasukkannya ke dalam lemari es dalam keadaan panas. Dia sangat terkejut ketika membeku lebih cepat dari teman sekelasnya, yang melakukan pekerjaan sesuai dengan teknologi yang diberikan.

Fakta ini sangat menarik minat pemuda itu, dan dia mulai bereksperimen dengan air biasa. Pada tahun 1969, jurnal Physics Education menerbitkan hasil penelitian Mpemba dan Profesor Dennis Osborn dari Universitas Dar es Salaam. Efek yang mereka gambarkan diberi nama Mpemba. Namun, hingga saat ini belum ada penjelasan yang jelas atas fenomena tersebut. Semua ilmuwan setuju bahwa peran utama dalam hal ini adalah pada perbedaan sifat air dingin dan air panas, tetapi apa sebenarnya yang tidak diketahui.

versi Singapura

Fisikawan dari salah satu universitas Singapura juga tertarik dengan pertanyaan, air mana yang lebih cepat membeku - panas atau dingin? Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Xi Zhang menjelaskan paradoks ini dengan tepat berdasarkan sifat-sifat air. Semua orang masih mengetahui komposisi air dari sekolah - satu atom oksigen dan dua atom hidrogen. Oksigen sampai batas tertentu menarik elektron dari hidrogen, sehingga molekul tersebut adalah semacam "magnet".

Akibatnya, molekul tertentu dalam air sedikit tertarik satu sama lain dan disatukan oleh ikatan hidrogen. Kekuatannya berkali-kali lebih rendah dari ikatan kovalen. Peneliti Singapura percaya bahwa penjelasan paradoks Mpemba justru terletak pada ikatan hidrogen. Jika molekul air ditempatkan sangat berdekatan, maka interaksi yang kuat antar molekul dapat merusak ikatan kovalen di tengah molekul itu sendiri.

Tetapi ketika air dipanaskan, molekul-molekul yang terikat bergerak sedikit menjauh satu sama lain. Akibatnya, relaksasi ikatan kovalen terjadi di tengah molekul dengan kembalinya energi berlebih dan transisi ke tingkat energi terendah. Ini mengarah pada fakta bahwa air panas mulai mendingin dengan cepat. Setidaknya, inilah yang ditunjukkan oleh perhitungan teoretis yang dilakukan oleh para ilmuwan Singapura.

Pembekuan Air Instan - 5 Trik Luar Biasa: Video

Kimia adalah salah satu mata pelajaran favorit saya di sekolah. Suatu ketika seorang guru kimia memberi kami tugas yang sangat aneh dan sulit. Dia memberi kami daftar pertanyaan yang harus kami jawab dalam hal kimia. Kami diberi waktu beberapa hari untuk tugas ini dan diizinkan menggunakan perpustakaan dan sumber informasi lain yang tersedia. Salah satu pertanyaan ini menyangkut titik beku air. Saya tidak ingat persis bagaimana pertanyaan itu terdengar, tetapi ini tentang fakta bahwa jika Anda mengambil dua ember kayu dengan ukuran yang sama, satu dengan air panas, yang lain dengan air dingin (tepat pada suhu yang ditentukan), dan menempatkannya di lingkungan dengan suhu tertentu, mana yang lebih cepat membeku? Tentu saja, jawabannya segera muncul dengan sendirinya - seember air dingin, tetapi bagi kami tampaknya terlalu sederhana. Tetapi ini tidak cukup untuk memberikan jawaban yang lengkap, kami perlu membuktikannya dari sudut pandang kimia. Terlepas dari semua pemikiran dan penelitian saya, saya tidak dapat menarik kesimpulan logis. Pada hari ini, saya bahkan memutuskan untuk melewatkan pelajaran ini, jadi saya tidak pernah menemukan solusi dari teka-teki ini.

Bertahun-tahun berlalu, dan saya belajar banyak mitos sehari-hari tentang titik didih dan titik beku air, dan satu mitos mengatakan: "air panas membeku lebih cepat." Saya melihat banyak situs web tetapi informasinya terlalu bertentangan. Dan ini hanyalah opini, tidak berdasar dari sudut pandang sains. Dan saya memutuskan untuk melakukan pengalaman saya sendiri. Karena saya tidak dapat menemukan ember kayu, saya menggunakan freezer, kompor, air, dan termometer digital. Saya akan berbicara tentang hasil pengalaman saya nanti. Pertama, saya akan berbagi dengan Anda beberapa argumen menarik tentang air:

Air panas membeku lebih cepat daripada air dingin. Kebanyakan ahli mengatakan bahwa air dingin akan membeku lebih cepat daripada air panas. Tetapi satu fenomena lucu (yang disebut efek Memba), untuk alasan yang tidak diketahui, membuktikan sebaliknya: Air panas membeku lebih cepat daripada air dingin. Salah satu dari beberapa penjelasannya adalah proses penguapan: jika air yang sangat panas ditempatkan di lingkungan yang dingin, air akan mulai menguap (sisa air yang tersisa akan membeku lebih cepat). Dan menurut hukum kimia, ini sama sekali bukan mitos, dan kemungkinan besar inilah yang ingin didengar guru dari kita.

Air matang membeku lebih cepat daripada air ledeng. Terlepas dari penjelasan sebelumnya, beberapa ahli berpendapat bahwa air rebusan yang telah didinginkan hingga suhu kamar seharusnya lebih cepat membeku karena jumlah oksigen berkurang akibat pendidihan.

Air dingin mendidih lebih cepat daripada air panas. Jika air panas membeku lebih cepat, maka air dingin bisa mendidih lebih cepat! Ini bertentangan dengan akal sehat dan para ilmuwan berpendapat bahwa ini tidak mungkin terjadi. Air keran panas seharusnya mendidih lebih cepat daripada air dingin. Namun dengan menggunakan air panas untuk merebus, Anda tidak menghemat energi. Anda mungkin menggunakan lebih sedikit gas atau listrik, tetapi pemanas air akan menggunakan jumlah energi yang sama dengan yang dibutuhkan untuk memanaskan air dingin. (Tenaga surya sedikit berbeda.) Akibat memanaskan air dengan water heater, dapat terbentuk endapan, sehingga air akan lebih lama memanas.

Jika Anda menambahkan garam ke dalam air, air akan lebih cepat mendidih. Garam meningkatkan titik didih (dan karenanya menurunkan titik beku - itulah sebabnya beberapa ibu rumah tangga menambahkan sedikit garam batu ke es krim). Tetapi dalam hal ini, kami tertarik pada pertanyaan lain: berapa lama air akan mendidih dan apakah titik didih dalam kasus ini dapat naik di atas 100 ° C). Terlepas dari apa yang dikatakan buku masak, para ilmuwan mengatakan bahwa jumlah garam yang kita tambahkan ke air mendidih tidak cukup untuk mempengaruhi waktu atau suhu mendidih.

Tapi inilah yang saya dapatkan:

Air dingin: Saya menggunakan tiga gelas 100 ml air murni: satu suhu kamar (72°F/22°C), satu air panas (115°F/46°C), dan satu air mendidih (212°F/100° C). Saya meletakkan ketiga gelas di dalam freezer pada suhu -18°C. Dan karena saya tahu bahwa air tidak akan langsung berubah menjadi es, saya menentukan tingkat pembekuan dengan "pelampung kayu". Ketika tongkat yang diletakkan di tengah gelas tidak lagi menyentuh alasnya, saya yakin airnya telah membeku. Saya memeriksa kacamata setiap lima menit. Dan apa hasil saya? Air di gelas pertama membeku setelah 50 menit. Air panas membeku setelah 80 menit. Rebus - setelah 95 menit. Kesimpulan Saya: Mempertimbangkan kondisi di dalam freezer dan air yang saya gunakan, saya tidak dapat mereproduksi efek Memba.

Saya juga mencoba percobaan ini dengan air matang yang didinginkan hingga suhu kamar. Membeku dalam 60 menit - masih butuh waktu lebih lama dari air dingin untuk membeku.

Air matang: Saya mengambil satu liter air pada suhu kamar dan membakarnya. Dia direbus dalam 6 menit. Kemudian saya mendinginkannya kembali ke suhu kamar dan menambahkannya ke yang panas. Dengan api yang sama, air panas direbus dalam waktu 4 jam 30 menit. Kesimpulan: seperti yang diharapkan, air panas mendidih lebih cepat.

Air matang (dengan garam): Saya menambahkan 2 sendok makan besar garam meja ke dalam 1 liter air. Itu mendidih dalam 6 menit 33 detik, dan seperti yang ditunjukkan termometer, suhunya mencapai 102°C. Tidak diragukan lagi, garam memengaruhi titik didih, tetapi tidak banyak. Kesimpulan: garam dalam air tidak terlalu mempengaruhi suhu dan waktu perebusan. Jujur saya akui bahwa dapur saya sulit disebut laboratorium, dan mungkin kesimpulan saya bertentangan dengan kenyataan. Freezer saya mungkin membekukan makanan secara tidak merata. Gelas kaca saya mungkin tidak beraturan, dll. Tapi apa pun yang terjadi di laboratorium, ketika berbicara tentang membekukan atau merebus air di dapur, yang terpenting adalah akal sehat.

tautan dengan fakta menarik tentang airsemua tentang air
seperti yang disarankan di forum forum.ixbt.com, efek ini (efek membekukan air panas lebih cepat daripada air dingin) disebut "efek Aristoteles-Mpemba"

Itu. air matang (dingin) membeku lebih cepat daripada "mentah"