Mengenal Efek Mpemba

Ketika teman-teman membaca judul artikel ini, pasti masih banyak di antara kalian yang merasa asing dengan istilah “Efek Mpemba”. Ya, istilah ini masih kalah terkenal dibandingkan dengan beberapa istilah fisika lainnya.

Sesuai dengan namanya, Efek Mpemba merupakan sebutan untuk sebuah peristiwa yang dialami oleh seseorang yang bernama Erasto Mpemba.

Erasto Mpemba?

Siapakah dia? 

Adakah di antara kalian yang sudah mengenal tokoh tersebut terlebih dahulu?

Jika ada yang belum mengenal beliau, coba kalian baca artikel yang membahas Erasto Mpemba

Peristiwa ini terjadi ketika Mpemba masih duduk di bangku sekolah menengah di Tanzania, Afrika. Saat itu, Mpemba dan teman sekelasnya melakukan praktik pembuatan es krim. Dan dalam keadaan yang mendesak, Mpemba terpaksa memasukkan cairan susu rebus miliknya yang masih panas ke dalam kulkas. Tapi, tidak seperti yang diperkirakan, cairan susu rebusnya itu justru membeku lebih dahulu daripada cairan susu rebus dalam keadaan lebih dingin.

Rasa keingintahuan Mpemba yang tinggi membuatnya terus berusaha mencari jawaban atas peristiwa yang dialaminya itu. Berbagai cara, seperti melakukan percobaan menggunakan cairan lain dan bertanya kepada fisikawan yang ia temui selama kuliah telah dilakukan. 

Hasil dari penelitiannya ini kemudian dipublikasikan dan menjadi fenomena baru di dunia ilmiah (Mpemba & Osborne, 1969).

Efek Mpemba terjadi ketika dua sampel air yang identik dalam segala hal (kecuali suhu) diletakkan pada suhu pendingin yang sama.  Air yang pertama memiliki suhu yang lebih tinggi dari air yang kedua. Dan hasilnya, Air yang awalnya suhunya lebih tinggi akan membeku terlebih dahulu daripada air yang kedua.

Berdasarkan teori yang ada, Efek ini tidak mungkin terjadi. Namun, telah diamati dalam berbagai percobaan bahwa efek ini sebenarnya mungkin (Jeng, 2006).

Ingin membuktikannya?

Coba kalian Praktekan sendiri! Pasti kalian juga akan terkejut!

Alat dan bahan yang dibutuhkan, Langkah-langkah kerja, dan contoh Analisis data bisa kalian lihat pada “Petunjuk praktikum Efek Mpemba”.

Selamat mencoba,,,,Jika kalian berhasil berarti kalian berbakat menjadi ilmuwan :D

Yok lanjut…..

Secara sederhana Efek Mpemba dideskripsikan sebagai fenomena sampel air panas yang membeku lebih cepat atau lebih dulu daripada sampel air dingin.

Air panas membeku sebelum air dingin hanya jika air sangat dingin dan air yang lebih dingin mempunyai suhu inti yang lebih rendah dari air yang lebih panas. Efek Mpemba tidak dapat diamati jika air panas membeku lebih dahulu namun semua kondisi selama pendinginan tidak “identik” (Brownridge, 2010).

Faktor-faktor Yang Mempengaruhi Efek Mpemba

1. Jumlah Energi yang Berpindah

Jumlah energi yang berpindah dari air dingin dan air panas untuk mengubahnya menjadi es ini tidak jauh berbeda seperti yang diperkirakan. Sebagian besar ekstraksi energi digunakan untuk menggerakkan fase transisi dari cair menjadi padat yang diatur oleh kalor laten peleburan (Lf). Setelah cairan didinginkan hingga titik beku, jumlah energi yang sama harus diekstraksi untuk membentuk es pada keadaan awal dari keduanya, yakni air panas dan dingin. 

Pada titik beku, energi 336 Joule/gram air harus diekstrak untuk mendorong fase transisi (terlepas dari suhu awal).

2. Gradien Suhu

Air panas dapat mengejar Air dingin karena pendinginan sebagian besar didorong oleh gradien suhu cairan. 

Pada dasarnya, laju perpindahan kalor yang melalui daerah tertentu berbanding lurus dengan gradien suhu ruang. Oleh karena itu, perubahan suhu yang lebih besar dari suatu volume cairan akan menghasilkan fluks panas yang lebih tinggi sehingga energi panas yang besar berpindah dari sistem. Tingkat pendinginan akan lebih besar di tempat yang memiliki gradien suhu lebih besar, yang dalam kasus ini terjadi pada wadah yang berisi air panas.

Hal tersebut ditunjukkan pada gambar berikut.

(a) Grafik Gradien Suhu Air Panas (b) Grafik Gradien Suhu Air Dingin  (Sumber: Corrigan, 2012) 

Pada gambar tersebut, garis tengah wadah adalah tempat dimana suhu akan menjadi yang terbesar 

(T max). Seperti panas yang diangkut keluar dari sisi wadah melalui konduksi (dinyatakan oleh arah), suhu rata-rata cairan akan menurun, gradien juga menjadi lebih kecil, dan laju perpindahan kalor melambat. 

Awalnya cairan dingin memiliki gradien jauh lebih kecil, sehingga laju pendinginan lebih lambat. Ini berarti bahwa dari waktu ke waktu, air panas pada akhirnya dapat mengejar air dingin, dalam arti asimtotik. Gradien yang lebih besar dari keadaan awalnya akan membantu air panas untuk menutup kesenjangan suhu antara air panas dan air dingin.

Hal tersebut dapat yang ditunjukkan oleh gambar berikut!

Grafik Perubahan Suhu terhadap Waktu Selama Proses Pendinginan (Sumber: Brownridge, 2010)

Air panas dapat mulai untuk mengejar ketinggalannya dengan air dingin tapi tidak dapat melampauinya. Hal ini karena sebagian air panas mendingin, gradien menjadi mirip dengan gradien awal air dingin, dan oleh karena itu fluks panas menurunkan respon (Corrigan, 2012).

3. Karakteristik Air dalam Proses Pendinginan

Terdapat dua karakteristik air dalam proses pendinginan, yaitu:

• Perbedaan kalor laten peleburan dan kalor jenis air, yang menimbulkan daya pendinginan dari es
• Koefisien ekspansi termal negatif, yang menimbulkan kemampuan es untuk mengapung.

Berdasarkan karakteristik pertama, karena perbedaan kalor laten peleburan dan kalor jenis air yang cukup besar maka akan lebih efektif jika mendinginkan air panas dengan menjatuhkan es ke dalam wadah daripada memasukkannya ke dalam lemari pendingin. Sedangkan karakteristik kedua yaitu koefisien ekspansi termal negatif berkaitan dengan perpindahan kalor. 

Berikut ini perpindahan kalor yang terjadi dalam wadah air panas ketika proses pendinginan yang ditunjukkan oleh gambar berikut.

Gambar Geometri Formasi Es dan Aliran Konveksi dalam Wadah (Sumber: Corrigan, 2012)

Air akan mulai mendingin di sekitar tepi wadah dimana fluks panas terbesar. Sehubungan dengan suhu freezer, panas akan mengalir melalui bawah, samping, dan atas wadah. Air ini akan mendingin dan berubah menjadi es ketika panas diekstraksi sepanjang permukaan ini, meskipun bagian dalam air masih pada suhu yang cukup panas. Pendinginan permukaan ini akan membentuk lapisan es di seluruh permukaan bagian dalam wadah. 

Air yang lebih dingin, karena lebih padat (kecuali air bersuhu di bawah 4^oC menunjukkan respon kepadatan terbalik) akan tenggelam ke dasar, sedangkan air yang lebih panas akan menggantinya dengan bergerak ke atas karena kurang padat (Corrigan, 2012). 

Hal ini akan menyebabkan gravitasi yang menimbulkan wilayah konveksi dimulai dari bagian dalam cairan. Bagian terpanas dari cairan akan berada di pusat (secara horizontal) dari wadah, dan menuju atas wadah (karena kenaikan cairan yang lebih panas). 

Gambar berikut menunjukkan gambaran suhu sepanjang sumbu horisontal dan vertikal wadah.

Seperti dijelaskan di atas, air yang awalnya panas akan mendingin lebih cepat daripada air yang lebih dingin untuk mendekati suhu rata-rata dari waktu ke waktu. Hal ini disebabkan gradien suhu yang lebih besar serta arus konveksi yang lebih besar. Hal ini memungkinkan air panas untuk menutup kesenjangan suhu dengan air dingin.

Dalam wadah air dingin, gradien suhu berkurang, wilayah konveksi berkurang, dan perpindahan kalor pun berkurang. Namun, dalam wadah air panas, cairan panas pada bagian dalam terkonveksi oleh es yang terbentuk di sekeliling dinding wadah. Es ini akan mencair karena tingginya tingkat perpindahan kalor antara dinding dalam dan luar wadah (baik melalui konveksi dan konduksi). Faktanya, tidak semua es mencair untuk melepaskan diri dari dinding, namun hanya permukaan kontak antara es dan dinding. Hanya lapisan es yang sangat tipis dari es tersebut yang mencair untuk lepas dari dinding.

Konveksi internal dan daya apung es (karena kurang padat) akan menyebabkan es untuk pindah ke bagian dalam cairan yang terpanas (Brownridge, 2010). Berdasarkan hasil penelitian Corrigan (2012), es akan mencair dari bawah, samping, dan atas. Sebagai bagian dari es yang lepas dari dinding, es itu akan mengangkut energi "negatif" (dalam arti relatif) untuk bagian interior cairan, dan mendinginkannya menggunakan kekuatan luar biasa dari es untuk mendinginkan cairan sekitarnya (seperti dijelaskan pada karakteristik pertama di atas).

Air yang dihasilkan dari mencairnya es harus mendingin dan kembali menjadi es. Namun, es yang copot dari dinding secara efektif membawa efisiensi perpindahan kalor yang ada pada dinding tepat ke bagian dalam cairan. Panas yang terbawa di dinding sedang disimpan dalam es sebagai energi negatif (sekali lagi, kata negatif bermakna relatif). Es ini kemudian bergerak ke bagian dalam cairan di mana ia kemudian menyerap sejumlah energi dengan cara cepat. Sementara itu, di dinding, efisiensi perpindahan kalor yang besar ini digunakan untuk mengkonversi cairan lain menjadi es.

4. Ikatan Hidrogen Air

Ikatan hidrogen dikemukakan pertama kali oleh Latiner dan Rodebush pada tahun 1920. Ikatan hidrogen terdapat di antara molekul-molekul senyawa dimana terdapat atom H yang berikatan secara kovalen dengan atom unsur yang elektronegatif seperti F, N, dan O (misalnya saja pada senyawa H2O). Ikatan hidrogen juga terdapat pada molekul-molekul senyawa yang atomnya memiliki pasangan elektron yang masih bebas, yang dapat disumbangkan kepada atom H pada molekul lain. 

Ikatan hidrogen jauh lebih lemah dibandingkan dengan ikatan kovalen. Walaupun ikatan hidrogen merupakan ikatan yang lemah, tetapi ikatan hidrogen tersebut cukup berpengaruh terutama terhadap molekul air seperti titik didih, titik beku, dan anomali air. Karena pada air (H2O) memiliki dua atom H yang dapat membentuk ikatan hidrogen, maka penyimpangan titik didihnya menjadi tinggi (Syarifuddin, 1994: 134-135).

Dr. Sun Changqing dan Dr Xi Zhang (2013) dari Nanyang Technological University berpendapat bahwa Efek Mpemba terjadi karena interaksi yang tak biasa antara molekul-molekul air. Hal ini juga menentukan bagaimana molekul air menyimpan dan melepaskan energi. Tingkat di mana energi dilepaskan bervariasi dengan keadaan awal air dan air panas dapat melepaskan energi lebih cepat ketika ditaruh dalam lemari pendingin. Interaksi antara ikatan hidrogen dan ikatan kuat yang memegang atom hidrogen serta oksigen dalam masing-masing molekul bersama (dikenal sebagai ikatan kovalen) adalah yang menyebabkan efek Mpemba. 

Ketika cairan dipanaskan, ikatan kovalen antara atom meregang dan menyimpan energi. Namun pada air, ikatan hidrogen menghasilkan efek tak biasa yang menyebabkan ikatan kovalen memendek dan menyimpan energi saat dipanaskan.

Hal tersebut dapat dijelaskan pada gambar berikut.

Gambar. Ikatan Oksigen dan Hidrogen dalam Air (Sumber: Zhang, et al., 2013).

Jadi saat air dipanaskan, molekul-molekul air menjadi terpisah jauh dari satu sama lain karena ikatan hidrogen mengalami peregangan. Hal ini memungkinkan ikatan kovalen dalam molekul menyusut lagi dan melepaskan energi mereka. 

Poin pentingnya adalah bahwa proses di mana ikatan kovalen melepas energi, ini setara dengan pendinginan. Inilah pendinginan ekstra. Pendinginan ekstra ini ditambahkan pada proses pendinginan konvensional. Jadi air yang hangat akan mendingin lebih cepat daripada air yang kurang hangat, karena ada pendinginan ekstra dan itulah apa yang teramati dalam efek Mpemba (Zhang, et al., 2013).

Sekian, Semoga bermanfaat

Referensi :
Makalah Seminar Fisika "Efek Mpemba"