Benarkah Air Panas Lebih Cepat Membeku daripada Air Dingin?

tirto.id - Air dingin dengan suhu lebih dekat ke titik beku seharusnya selalu lebih cepat membeku. Melalui eksperimen Erasto Mpemba, suhu yang lebih panas justru membeku lebih dulu. Fenomena ini dijuluki efek Mpemba.

Fenomena air panas bisa lebih cepat membeku dibanding air dingin saat berada di kulkas pernah diteliti oleh Erasto Mpemba. Kala itu, ia bersama teman sekelas melakukan praktik dengan membuat es krim.

Kapasitas kulkas terbatas. Mpemba memasukkan cairan yang masih mendidih ke dalam kulkas, sementara teman-temannya menunggu cairan tersebut dingin terlebih dahulu, sesuai panduan sang guru.

Siapa sangka, cairan milik Mpemba justru membeku lebih awal dibanding teman sekelas. Fenomena ini seolah melanggar aturan fisika umum, bahwa benda panas membutuhkan waktu lebih lama untuk mendingin jika dibandingkan benda dingin.

Mengenal Fenomena Efek Mpemba & Sejarahnya

Efek Mpemba telah menjadi subjek perdebatan ilmiah selama beberapa dekade. Meskipun telah banyak diteliti dalam berbagai sistem klasik, fenomena ini tetap saja menarik dan belum sepenuhnya terpecahkan, sehingga terus memikat perhatian para peneliti.

Efek Mpemba merujuk pada kondisi zat yang lebih panas dapat membeku lebih cepat dibandingkan zat yang lebih dingin. Fenomena ini dapat diamati melalui media air. Terdapat dua gelas berisi air, satu gelas sangat mendidih dan satu lainnya terasa hangat saja. Saat masuk dalam kulkas, air mendidih terkadang membeku lebih cepat daripada air dingin dalam kondisi yang hangat.

Fenomena efek Mpemba mungkin bertentangan dengan pemahaman sehari-hari. Banyak orang akan mengira bahwa air yang mendidih akan membeku lebih lama dibanding air yang suam-suam kuku. Namun, berbagai eksperimen justru menemukan air mendidih cenderung lebih cepat membeku.

Fenomena yang menjadi perdebatan para ilmuwan ini pertama kali muncul di ruang kelas memasak. Melansir jurnal Physics Education berjudul Cool? yang ditulis Erasto B Mpemba dan Denis G Osborne mengisahkan, tahun 1963, Erasto Mpemba menempuh pendidikan di Sekolah Menengah Magamba, Tanganyika. Ia tengah praktik membuat es krim bersama teman sekelas.

Sesuai resep yang diberikan guru, pembuatan es krim dilakukan dengan cara merebus susu, mencampurkan gula, membiarkan ingin, lalu membeku. Namun, mengingat kapasitas pendingin yang terbatas dan waktu yang semakin singkat, Mpemba segera memasukkan campuran adonan es krim saat masih mendidih, tanpa menunggu dingin terlebih dahulu.

Campuran panas Mpemba justru membeku, menjadi es krim lebih cepat daripada campuran milik teman sekelas yang sudah didinginkan. Ia meminta penjelasan kepada guru. Namun, guru menganggap hasil tersebut sebagai sebuah kesalahan dan berkelakar bahwa itu adalah "fisika ala Mpemba", bukan fisika yang sebenarnya.

Saat mengenyam pendidikan di SMA Mkwawa di Iringa, kepala sekolah mengundang Denis Osborne, seorang fisikawan dari University College di Dar es Salaam, untuk memberikan ceramah.

Melalui kesempatan itu, Mpemba mengajukan pertanyaan tentang pengalaman membuat es krim. Katanya, jika kita mengambil dua volume air yang sama (satu bersuhu 35 °C dan satu lagi 100 °C) lalu memasukkan ke dalam lemari pembeku, mengapa air yang lebih panas justru membeku lebih dulu?

Osborne membawa pertanyaan tersebut ke laboratorium dan menguji. Hasil memang ganjil dan itu ternyata benar, bahwa air yang mendidih cenderung lebih cepat membeku. Atas temuan tersebut, Osborne dan Mpemba menerbitkan temuan dalam jurnal Physics Education yang terbit tahun 1969.

Saat itu, Mpemba tengah menempuh pendidikan di College of African Wildlife Management, dan fenomena tersebut kemudian dikenal dengan efek Mpemba.

Ternyata fenomena ini pernah diamati ribuan tahun sebelumnya oleh Aristoteles, bahwa air yang dipanaskan dapat membeku dengan cepat. Francis Bacon dan René Descartes pun pernah mencatat fenomena yang sama.

Kimiawan asal Skotlandia, Joseph Black, mempelajari salah satu versi pada tahun 1775. Kendati telah diselidiki selama berabad-abad, belum ada penelitian yang berhasil memastikan penyebab pasti alasan air mendidih lebih cepat membeku dibanding air suhu ruang.

Alasan Air Panas Lebih Cepat Membeku daripada Air Dingin

Meski telah dilakukan eksperimen yang berulang, efek Mpemba hingga kini belum memiliki penjelasan yang tuntas dan disepakati secara mutlak oleh para ilmuwan. Beberapa asumsi menjelaskan terjadinya efek Mpemba dikarenakan penguapan air panas yang mengurangi massa, arus konveksi yang mengaduk isi cairan, perbedaan dalam proses pendinginan lewat batas (supercooling), gas terlarut, hingga perubahan sifat ikatan hidrogen dalam molekul air.

Kendati banyak eksperimen yang ditemukan, hasilnya tidak konsisten. Beberapa eksperimen menunjukkan adanya efek Mpemba yang jelas, sementara eksperimen lain tidak. Sebab itu, para ilmuwan kesulitan merumuskan teori universal yang dapat menjelaskan kapan dan mengapa efek Mpemba terjadi.

Studi An Experimental Investigation of the Mpemba Effect (2026) karya Anna Janni dan tim yang dipublikasikan RSC Applied Interfaces menemukan, efek Mpemba disebabkan oleh dua hal, yaitu fluktuasi arus konveksi air di freezer dan variasi derajat supercooling.

Fluktuasi mikro dalam arus udara pendingin di freezer menyebabkan laju peluruhan konveksi bervariasi antar-sampel. Selain itu, air dingin sering kali mengalami kondisi supercooling. Artinya tetap cair dengan suhu di bawah 0 derajat Celcius dalam waktu yang bervariasi sebelum akhirnya membeku, sehingga tertahan sebagai supercooling lebih lama dibanding sampel panas.

Situasi yang kadang kala menyebabkan air mendidih dapat membeku lebih cepat. Asumsi berikutnya adalah kandung ion cairan memiliki peran vital dalam transfer energi antar-permukaan dan proses pembentukan inti es.

Temuan John Bechhoefer dan tim yang dimuat di Nature Reviews Physics tahun 2021 menjelaskan, efek Mpemba sulit diuji pada air murni karena banyak variabel yang tidak terkontrol.

Agar terukur dengan jelas, John Bechhoefer dan tim menggunakan sistem koloid mikroskopis untuk menguji efek Mpemba. Pada akhirnya mereka dapat memformulasikan Mpemba secara konsisten dan terukur.

Hasil penelitian menunjukkan peluruhan suhu atau energi tidak berlangsung secara linear. Akibatnya, cairan yang berawal dari suhu lebih tinggi mengambil lintasan termodinamika yang berbeda, sehingga mampu menyalip lintasan cairan yang berawal dari suhu ruang. Pada kondisi suhu awal tertentu, peningkatan suhu dingin dapat terjadi lebih cepat daripada suhu normal.

Namun, penelitian Questioning the Mpemba Effect: Hot Water Does Not Cool More Quickly Than Cold (2016) karya Henry C. Burridge dan Paul F. Linden yang dimuat di laman National Library of Medicine menemukan bahwa tidak ada efek Mpemba yang ditemukan dalam eksperimen terukur. Temuan ini menduga efek Mpemba terjadi karena beberapa faktor yang tak terkontrol.

Salah satu faktor tersebut ialah proses penguapan. Air suhu panas cenderung mengalami pengapan yang lebih cepat sehingga menyebabkan massa air berkurang. Akibatnya, volume air lebih sedikit, proses pembekuan jauh lebih cepat dibanding volume awal air utuh.

Peletakan posisi wadah di dalam pendingin kemungkinan menjadi penyebab air panas lebih cepat membeku. Wadah yang berada di dekat paparan aliran udara dingin tentu berpotensi mudah beku. Terakhir, wadah air panas dapat mencairkan lapisan es di dasar kulkas. Akibatnya, perpindahan panas sebenarnya dapat berubah secara acak.