Air Mendidih Lebih Cepat Membeku di Kulkas

Betulkah air panas yang ditaruh dalam freezer lebih cepat beku daripada air dingin? Andai demikian, mengapa itu terjadi?

Pertanyaan ini telah diajukan bertahun-tahun silam dalam New Scientist dan belum pernah terjawab secara memuaskan. Kali ini kita semakin dekat ke penyelesaian kontroversi ini dengan jawaban-jawaban dari beberapa orang yang telah mencoba melalui eksperimen yang benar. Walaupun bertentangan dengan intuisi, tampaknya air panas bisa membeku lebih cepat dalam sebuah lemari es. Kontak termal yang lebih baik ketika wadah air ditaruh dalam freezer berbunga es dan pola arus konveksi berbeda yang memungkinkan air panas membeku lebih cepat kelihatannya merupakan penjelasan paling baik. Efek mana yang dominan bergantung pada lemari pendingin, wadah, dan penempatannya.

-Editor

Penanya dalam hal ini benar—membuat kubus es menggunakan air yang dipanaskan dahulu bisa lebih cepat dibanding menggunakan air dingin. Efek ini dapat diperoleh ketika wadah yang menyimpan air ditaruh di atas permukaan es atau bunga es. Temperatur lebih tinggi yang melelehkan sebagian permukaan es di tempat wadah ditaruh menyebabkan kontak termal yang jauh lebih baik antara permukaan wadah dan permukaan es. Laju pemindahan panas yang meningkat dari wadah dan isinya jauh lebih besar daripada panas yang harus dihilangkan. Efek ini tidak dapat terjadi jika wadah digantung atau ditaruh di permukaan kering. Efek ini pertama kali ditemukan oleh Sir Francis Bacon menggunakan ember-ember kayu yang ditaruh di atas es. Penyelidikan saya sendiri menunjukkan kubus-kubus es dapat diperoleh dalam 15 menit dibanding 20 menit yang biasanya asalkan bunga es dalam freezer cukup tebal. Keuntungan dari bisa membuat es lebih cepat jelas lebih bermanfaat bagi penduduk daerah panas dibanding bagi penduduk negeri-negeri beriklim sejuk.

Michael Davies

University of Tasmania, Australia

Akan tetapi Sir Francis Bacon bukan orang pertama yang menyaksikan kejadian ini. Penuturan Aristoteles dalam Meteoroiogy berikut menyiratkan penjelasan yang mirip: "Banyak orang, ketika ingin mendinginkan air lebih cepat, mulai dengan menaruh air di bawah terik matahari. Maka sewaktu orang memancing ikan di danau yang beku (mereka melubangi permukaan es kemudian memancing) mereka menuang air hangat ke sekeliling tongkat pemancing mereka yang lebih lekas membeku; karena mereka menggunakan timbal sedingin es untuk membuat pegangan pada tongkat pemancing."

David Edge

Hatton, Derbyshire, Inggris

Dan rasanya tidak benar bahwasanya "efek ini tidak bisa didapatkan kalau wadah digantung atau ditaruh di permukaan kering" ... Pertanyaan ini pernah diajukan dalam New Scientist edisi 1969, oleh seorang mahasiswa Tanzania bernama Erasto Mpemba. Ia menemukan bahwa campuran es krim beku lebih cepat ketika ditaruh dalam freezer dalam keadaan panas ketimbang didiamkan dahulu sampai sama dengan temperatur kamar. Saya mendapatkan komentar skeptis yang sama dari guru saya sama seperti Mpemba sewaktu saya mengerjakan proyek atas pertanyaan ini di kelas enam. Pertama, proyek itu menunjukkan bahwa air, entah dari keran atau dari penyulingan, menunjukkan perilaku sama seperti campuran es krim; komposisi kimia tidak terlalu penting. Kedua, proyek itu menunjukkan bahwa pengurangan volume karena penguapan dari air panas bukan penyebabnya. Dengan menempatkan thermocouple dalam air terbukti bahwa air pada kira-kira 10 derajat C mencapai titik beku lebih cepat daripada air pada 30 derajat C, seperti yang diramalkan oleh hukum Newton untuk pendinginan, tetapi sesudah itu, air yang dimulai dari temperatur lebih tinggi membeku lebih cepat. Sesungguhnya, waktu maksimum yang diperlukan oleh air untuk membeku dalam freezer terjadi ketika air didinginkan dari temperatur awal sekitar 5 derajat C, dan waktu paling singkat dicapai oleh air yang didinginkan dari temperatur sekitar 35 derajat C. Perilaku paradoks ini dapat diterangkan dengan gradien temperatur vertikal yang dialami oleh air. Laju kehilangan panas dari permukaan atas sebanding dengan temperatur. Jika

permukaan dapat diusahakan tetap lebih panas dibanding seluruh cairan, laju pemindahan panas akan lebih besar dibanding dari air dengan temperatur yang di seluruh bagian sama. Andai air berada di sebuah wadah logam yang tinggi alihalih di

sebuah piring yang rata, efek paradoks ini menghilang. Kami berpendapat bahwa gradien temperatur dalam wadah tinggi mengalami pemindahan panas lebih cepat berkat konduksi melalui dinding-dinding logamnya. Pertanyaan ini jelas membuat saya enggan menerima begitu saja hasil-hasil pengamatan yang tidak sesuai dengan pandangan-pandangan tentang kebenaran yang sudah diungkapkan sebelum pembuktian.

J. Neil Cape

Penicuik, Midlothian, Inggris

Eksperimen klasik menggunakan dua ember logam yang ditaruh di udara terbuka pada malam yang dingin dan lebih baik lagi kalau berangin. Air yang diam merupakan konduktor panas yang buruk dan es terbentuk pada bagian atas dan samping. Apabila temperatur awal sekitar 10 derajat C, pendinginan bagian tengah lambat sekali, terutama setelah es yang bebas mengapung ke atas, menghambat konveksi yang normal. Sementara itu tak ada cara lain yang dapat ditempuh oleh air lebih hangat untuk kontak dengan ember yang dingin kemudian memindahkan energinya ke luar. Apabila temperatur awal sekitar 40 derajat C, konveksi yang mantap terjadi sebelum ada air yang membeku, maka keseluruhan massa air menjadi dingin dengan cepat dan merata (homogen). Bahkan walaupun pembentukan es pertama lebih lambat, pemadatan air panas secara menyeluruh dapat terjadi lebih cepat dibanding apabila air mulai didinginkan dalam keadaan sudah dingin. Kondisi di sini kritis. Jelas, jika ember dingin dimulai pada 0,1 derajat C dan panas pada 99,9 deraajt C ekperimen ini tidak mungkin mendatangkan kejutan. Wadah harus cukup besar untuk mempertahankan konveksi dengan gradien temperatur kecil, tetapi cukup kecil untuk mengekstraksi panas dengan cepat dari permukaan ember. Pendinginan paksa oleh udara yang berembus pada malam hari membantu kelancaran proses ini. Sulit menyediakan kondisi yang seperti itu dalam sebuah freezer rumah tangga tetapi anomali ini dapat diperagakan di ruang pendingin industri atau di laboratorium yang khusus.

Alan Calverd

Bishop's Stortford, Hertfordshire, Inggris

Pendapat di atas benar dan saya telah menguji penegasan tersebut melalui eksperimen. Keterbatasan satusatunya adalah wadah air harus relatif kecil sehingga

kemampuan freezer untuk mengambil kandungan panas dari air tidak menjadi faktor

pembatas. Air dingin membentuk es pertamanya sebagai sebuah kulit yang mengapung yang setelah menjadi tebal menghalangi pemindahan lebih lanjut panas hasil konveksi ke permukaan. Air panas membentuk es pertama di bagian sisi dan dasar wadah, sementara permukaan tetap cair dan relatif panas, memungkinkan pemindahan panas melalui radiasi berlanjut dengan laju lebih tinggi. Perbedaan temperatur yang besar mendorong sirkulasi konvektif yang lancar, memungkinkan panas terus dipompa ke permukaan, bahkan setelah sebagian besar air menjadi beku.

Tom Hering

Kegworth, Leicestershire, Inggris

Ini sebuah mitos yang dilestarikan oleh budaya. Air panas tidak akan membeku lebih cepat daripada air dingin di freezer. Bagaimanapun, air panas yang didinginkan sampai temperatur kamar akan membeku lebih cepat daripada air yang belum pernah dipanaskan. Ini karena pemanasan menyebabkan air melepaskan gas-gas terlarut (terutama nitrogen dan oksigen) yang kalau ada mengurangi laju pertumbuhan kristal es.

Tom Trull

University of Tasmania, Australia

Tom Trull dari University of Tasmania yang skeptik barangkali ada baiknya melihat-lihat lemari pendingin milik penulis surat yang pertama, Michael Davies, juga dari University of Tasmania. Bukti eksperimen menunjukkan bahwa efek ini nyata—ketiadaan gas terlarut bisa menjadi sebuah faktor lain yang mempercepat pertumbuhan kristal. Ternyata masih ada sebuah faktor lain yang belum diungkapkan pengirim surat terdahulu—supercooling. Penelitian lebih baru menunjukkan bahwa karena air bisa membeku pada bermacam-macam temperatur, air panas bisa mulai membeku sebelum menjadi dingin. Akan tetapi entah air ini akan beku dahulu secara keseluruhan barangkali sebuah perkara yang berbeda.

-Editor

Dalam eksperimen ilmiah yang menggunakan kontrol (pembanding) efek ini tampaknya nyata. Kita mengandaikan bahwa temperatur dalam freezer tidak berubah selama proses pembekuan, begitu pula variabel-variabel dalam sampel seperti ukuran wadah, konduksi dan sifat-sifat konveksi baik di dalam maupun di luar wadah. Bagaimanapun, saya merasa ada sebuah variabel lagi namun itu terlewatkan yakni variasi temperatur dalam freezer. Naik turun temperatur di dalam freezer bergantung pada kepekaan thermoelement dan timer dalam sistem pengendali. Kita bisa mengandaikan bahwa pada temperatur baku freezer daya yang digunakan untuk mendinginkan freezer bekerja pada laju yang baku. Ketika seember air dingin ditambahkan, pengaruhnya mungkin kecil terhadap keluaran daya karena ia tidak sampai memicu sensor temperatur. Kendatipun demikian, seember air panas barangkali akan dengan mudah mengaktifkan sensor dan mengerahkan daya untuk mendinginkan freezer sedemikian sampai lewat sedikit dari temperatur yang ditentukan oleh setelan. Ini agaknya terlewatkan oleh pengamat di rumah. Saya pernah menyaksikan efek serupa dalam sauna elektrik. Membodohi sensor dengan menyibak air membuat keluaran pemanas meningkat.

Matti Jarvilehto

Universitas Oulu, Finlandia

Belum lama ini, sehingga belum ditegaskan oleh bukti, penelitian dari University of Washington di St. Louis, AS, telah menawarkan sebuah kemungkinan lain. Bahan terlarut, seperti kalsium dan magnesium bikarbonat, tersingkir ketika air dipanaskan. Ini dapat dilihat di bagian dalam ketel yang sering digunakan untuk memasak air sadah. Bagaimanapun, air yang belum dipanaskan masih mengandung bahan bahan terlarut ini dan sewaktu ia membeku kristal-kristal es yang terbentuk menolak

bahan-bahan tadi ke dalam air di sekelilingnya. Sewaktu konsentrasi bahan ini meningkat dalam air yang masih harus membeku, kehadiran mereka menyebabkan titik beku menurun, sama seperti ketika jalanan di musim dingin ditaburi garam. Air seperti ini memerlukan pendinginan lebih lanjut sebelum membeku. Selain itu, karena penurunan titik beku mengurangi perbedaan temperatur antara cairan dan sekelilingnya, perpindahan panas dari air jauh lebih lambat.

-Editor