Mengapa Air Panas Dapat Membeku Lebih Cepat Daripada Air Dingin?

Jika Anda menuangkan air panas ke suatu wadah dan menuangkan air dingin ke wadah lain, kemudian kedua wadah berisi air tersebut Anda letakkan di freezer, maka Anda akan menemukan bahwa air panas akan membeku lebih cepat daripada air dingin. 

Fenomena ini dimanfaatkan oleh para pengelola ice skating. Mereka menggunakan air panas untuk dibekukan menjadi lapangan ice skating, karena air panas lebih cepat membeku.

Mengapa hal ini bisa terjadi?

Fenomena ini dinamakan Efek Mpemba. Nama ini diambil dari nama seorang penduduk Tanzania, Erasto Mpemba (Gambar 1), yang pertama kali mengingatkan dunia fisika modern tentang adanya fenomena tersebut melalui pengamatannya, setelah terlupakan sejak jaman Rene Descartes. 

Gambar 1

Ketika SMP, Mpemba sedang membekukan beberapa es krim di freezer sebagai tugas pelajaran tata boga di sekolahnya, di mana sebagian adonan es krim bersuhu dingin sedangkan sebagian lainnya bersuhu panas. Mpemba kaget ketika menemukan bahwa adonan es krim yang tadinya bersuhu panas justru membeku lebih cepat.

Ketika SMA, Mpemba menghadiri kuliah umum fisika yang diberikan oleh Dr. Denis Osborne di sekolahnya. Di akhir kuliah, Mpemba bertanya kepada Dr. Osborne, “Jika Anda memiliki dua wadah berisi air dengan volume  sama, yang satu bersuhu 35^o C dan satu lagi bersuhu 100^o C, dan Anda letakkan keduanya di dalam freezer, maka air yang tadinya bersuhu 100^o C membeku lebih cepat. Mengapa?” 

Kala itu, Dr. Osborne tidak dapat menjawabnya. Namun setahun kemudian, setelah melakukan serangkaian eksperimen, ia membenarkan adanya fenomena tersebut. Sejak saat itu, fenomena ini dikenal sebagai Efek Mpemba.

Efek Mpemba merupakan efek yang misterius. Hingga kini para ilmuwan masih memperdebatkan mengapa dan dalam batasan apa efek ini bisa terjadi. Jadi, belum ada satupun teori yang meyakinkan untuk menjelaskan Efek Mpemba.

Pada kesempatan ini, saya akan mengungkapkan sebuah teori baru yang saya kembangkan sendiri dan saya yakini merupakan penjelasan atas Efek Mpemba.

Gambar 2

Partikel air terbentuk dari dua atom H dan satu atom O sehingga menghasilkan molekul H₂O (Gambar 2). Ketika mengandung banyak energi (suhunya panas), atom H dan O bergerak acak dengan cepat. Pergerakan yang cepat ini membuat jarak antar atom melebar (Gambar 3-a). Sebaliknya, ketika mengandung sedikit energi (suhunya dingin), atom H dan O bergerak acak dengan lambat. Pergerakan yang lambat ini membuat jarak antar atom memendek (Gambar 3-b). Air akan membeku jika suhunya mencapai 0^oC atau kurang. Pada keadaan membeku, jarak antara atom-atom air sangat dekat.

Atom H dan O diikat oleh ikatan kovalen, yaitu ikatan yang terbentuk dari penggunaan eletron valensi secara bersama-sama antara dua buah atom. Garis lurus hitam penghubung atom H dan O yang tampak di Gambar 2 dan 3 merupakan ilustrasi dari adanya ikatan kovalen tersebut. Pada kenyataannya, ikatan kovalen berbentuk gaya tarik-menarik antara kedua atom.

Ikatan kovalen cenderung bersifat elastis. Artinya, ketika jarak antara dua atom semakin jauh, gaya tariknya cenderung semakin kuat untuk membuat kedua atom tersebut berdekatan kembali (gaya pembalik). Fenomena ini dapat dianalogikan seperti karet (Gambar 4).

Gambar 4

Jika Anda merentangkan (memanjangkan) seutas karet, maka sifat elastis karet itu akan menimbulkan gaya pembalik yang memaksanya untuk kembali ke ukurannya semula. Semakin panjang karet itu direntangkan, semakin kuat gaya pembaliknya.

Ketika air panas ditempatkan pada lingkungan yang suhunya lebih dingin, sebagian energi akan hilang dari molekul air karena diserap oleh lingkungan yang dingin. Hilangnya energi itu mengakibatkan hilangnya kekuatan yang tadinya membuat atom H dan O berjauhan. Akibatnya, gaya pembalik akan mendekatkan kembali atom H dan O.

Jika suhu air sangat panas, maka gaya pembalik dari ikatan kovalennya sangat besar. Ketika air panas itu ditempatkan pada suhu yang sangat dingin, energinya akan hilang secara cepat dan elastisitas gaya pembalik akan mendekatkan kembali atom H dan O secara cepat pula. Analogi dari kondisi ini adalah ketika seutas karet direntangkan panjang-panjang dan dilepaskan secara tiba-tiba, maka karet akan kembali memendek dengan sangat cepat. Ketika jarak antara atom H dan O telah sedemikian dekat, wujud air langsung membeku.

Jika suhu air tidak panas (dingin), maka gaya pembalik dari ikatan kovalennya tidak terlalu besar. Ketika air itu ditempatkan pada suhu yang sangat dingin, energinya akan hilang secara perlahandan elastisitas gaya pembalik akan mendekatkan kembali atom H dan O secara perlahan pula. Analogi dari kondisi ini adalah ketika seutas karet hanya direntangkan sedikit dan dilepaskan, maka karet akan kembali memendek secara perlahan. Air akan membeku ketika pada akhirnya jarak antara atom H dan O sudah sedemikian dekat.

Itulah juga sebabnya jika kita melemparkan air dingin ke udara di daerah bersalju, maka air hanya akan jatuh kembali ke tanah, tetap berwujud air. Akan tetapi jika yang kita lemparkan itu adalah air panas, maka air akan langsung membeku menjadi salju di udara. Anda dapat menyaksikan fenomena tersebut melalui video berikut ini.