Pembahasan: Kenapa Teh Botol Membeku Setelah Dibuka?

Fenomena pembekuan Teh Botol ketika dibuka, dijelaskan secara ilmiah untuk memahami penyebab fenomena aneh ini.

Beberapa hari yang lalu, Fanny bikin diskusi Fisika di blog ini. Buat yang kemarin ketinggalan dan masih pengen ikutan, diskusinya bisa dilihat di artikel ini: Diskusi: Kenapa Teh Botol Membeku Setelah Dibuka? Nah, di artikel ini, kita akan berusaha mencari penjelasan di balik fenomena tersebut.

Sebelumnya, kita review dulu tentang bagaimana “percobaan” yang kemarin kita lakukan:

  • Beli teh botol.
  • Teh botolnya kita masukin ke dalam freezer.
  • Setelah beberapa jam, kita keluarin teh botolnya.
  • Ternyata tehnya masih dalam bentuk cair.
  • Kita buka tutup botolnya, perlahan-lahan teh tersebut membeku.

Wah, kok bisa ya teh yang tadinya masih cair, tiba-tiba membeku ketika dibuka?

Sebelum gue masuk ke pembahasannya, perlu dicatat yah bahwa usaha untuk menjelaskan suatu fenomena itu belum tentu 100% valid. Usaha menjelaskan suatu fenomena ini bisa dianggap sebuah hipotesis di mana validitasnya bisa lu periksa lagi dengan menggunakan eksperimen lanjutan.

Okay, kalau kita lihat fenomena di video barusan, sebenernya bagian “aneh”-nya itu bukan cuma ketika tehnya tiba-tiba membeku. Coba perhatiin lagi langkah-langkahnya. Teh botol itu dimasukkan ke dalam freezer kulkas kan. Biasanya, air kalau dimasukkan ke dalam freezer kan membeku. Kenapa pada kasus ini teh botolnya nggak membeku? Nah, ini yang harus dijawab duluan sebelum kita berusaha menjelaskan kenapa dia bisa membeku ketika dibuka.

 

Kenapa teh botol itu nggak membeku ketika dimasukkan ke dalam freezer?

Kalau gue nanya ke murid-murid di kelas pada suhu berapa derajat air membeku, pasti jawabannya seragam: “Nol derajaaaaat!!!”. Ya nggak salah sih. Ketika lo belajar suhu dan kalor, di situ memang disebutin bahwa air membeku pada 0oC dan menguap pada 100oC, dan ini biasanya digambarkan dengan menggunakan diagram seperti ini:

diagram-fase-air-1-atm copyMenurut diagram di atas, kita nggak akan menemukan air dalam fase cair pada suhu -1oC misalnya. Karena pada suhu tersebut, air tersebut sudah menjadi es (fase padat). Kalau gitu, kok bisa teh botolnya nggak beku? Kan suhu freezer-nya di bawah 0OC?

Nah, jawabannya adalah karena diagram di atas itu nggak lengkap. Diagram itu hanya berlaku untuk tekanan udara normal 1 atm atau sekitar 105 Pa. Jadi kalau tekanannya bukan di 1 atm, maka diagram di atas nggak berlaku. Sebagai contoh, kalau kita pergi ke pegunungan di mana tekanannya sangat rendah, maka air mendidih bukan di 100OC. Di Puncak Jaya, diperkirakan air mendidih pada 85oC. Diagram fase air yang lebih lengkap (yang sudah mempertimbangkan faktor tekanan) bisa kita lihat di bawah ini:

diagram-fase-air-general copySekarang, untuk memeriksa apakah lo beneran mengerti apa yang ditunjukkan pada diagram di atas, gue tes pakai soal yah. 🙂

Di bawah ini adalah diagram fase air. Jika P adalah tekanan udara normal 1 atm (105 Pa), berapakah nilai t1 dan t2? (Jangan lanjut baca artikel ini sebelum lu berusaha jawab)

soal-diagram-fase-air copy”klik-di-sini-untuk-lihat-jawabannya”

Jawab: Karena t1 adalah pertemuan antara fase padat dengan fase cair air, berarti t1 adalah titik beku. Jadi, t1 = 0oC. Sementara t2 adalah pertemuan antara fase cair dan fase gas, berarti tadalah titik didih. Jadi, t2 = 100oC. Seperti yang udah disebutin di atas, pada 1 atm, air membeku pada 0oC dan mendidih pada 100oC.

Kalau lo udah mengerjakan soal di atas, lo ngerti sekarang bahwa garis merah pada soal itu adalah kondisi di mana tekanannya persis 1 atm, yaitu tekanan di udara sekitar kita. Pada tekanan itu, air dapat berubah fase dari padat menjadi cair (dan sebaliknya) pada 0o C, dan air juga dapat berubah fase menjadi cair menjadi gas (dan sebaliknya) pada 100o C. So… dengan informasi ini, menurut lo, kenapa teh botol nggak membeku pada saat dimasukkan ke dalam freezer? Well, jawaban simple­-nya adalah, tekanan di dalam teh botol itu pasti di atas 1 atm. Karena teh botolnya tertutup rapat, maka tekanan di dalam teh botol bisa berbeda dengan tekanan udara sekitar.

Supaya lebih jelas, lihat gambar di bawah ini deh:

teh-botol-pada-diagram-fase-air1 copyKalau kita memasukkan air ke dalam freezer, maka air tersebut akan membeku karena dia berada di titik A (warna hijau). Sementara pada kasus teh botol ini, karena tekanannya lebih tinggi dari pada tekanan udara sekitar (> 1 atm), maka teh botol masih berada pada fase cair meskipun suhu pada freezer sudah di bawah 0oC (titik warna biru). Ini menjelaskan juga kenapa percobaan yang dilakukan Fanny beberapa kali gagal jika suhu freezer terlalu dingin. Karena kalau terlalu dingin, titik biru itu akan bergeser lebih ke kiri lagi sampai ke fase padat, sehingga teh botolnya beku duluan deh sebelum dikeluarin.

Okay, penjelasan di atas sepertinya lumayan masuk akal nih. Tapi ini menimbulkan pertanyaan baru: kenapa tekanan di dalam teh botol bisa lebih tinggi dari pada tekanan udara sekitar?

 

Kenapa tekanan di dalam teh botol bisa lebih tinggi daripada tekanan udara sekitar?

Bagian ini jawabannya rada menarik nih. Yang pasti kita tau lah ya kalau teh botol itu tertutup dengan rapat, makanya tekanan di dalam teh botol itu bisa berbeda dengan tekanan di luar. Dalam salah satu percobaan yang gue dan Fanny lakuin, ada satu kasus ketika teh botolnya kurang rapat. Akhirnya tehnya membeku duluan sebelum dikeluarin.

Kalau gitu, kenapa tekanannya bisa lebih dari 1 atm? Kalau tekanan teh botol itu 1 atm ketika keluar dari pabrik, kenapa jadi lebih dari 1 atm ketika dimasukkan ke dalam freezer? Bukannya harusnya malah turun karena kita tau bahwa tekanan berbanding lurus dengan temperatur (pV = nRT)? Nah, ini ada kaitannya dengan ANOMALI AIR.

Pada umumnya, zat apapun akan memuai jika dipanaskan dan menyusut ketika didinginkan. Air juga punya sifat seperti itu.

Zat pada umumnya:

Dipanaskan → Memuai

Didinginkan → Menyusut

Tapi ketika air mencapai suhu di bawah 4OC, terjadi anomali.

Air pada 0-4oC:

Dipanaskan → Menyusut

Didinginkan → Memuai

Lo mungkin pernah mengamati fenomena anomali air ini ketika membuat es di dalam freezer. Kalau belum pernah, cobain deh. Masukkan air ke dalam wadah pembuat es batu. Ketika air tersebut membeku, lihat volume esnya. Pasti volumenya lebih besar dibanding volume air yang lo masukkan.

Volume air membesar ketika jadi es
Volume air membesar ketika jadi es

 

Anomali air terjadi karena pada fase cair, molekul H2O berdiri sendiri-sendiri, jarak antar molekulnya juga dekat, sehingga volume totalnya kecil. Sementara pada fase padat, molekul H2O membentuk kristal, jarak antara molekulnya menjauh, sehingga total volumenya membesar. Gambarnya kira-kira begini:

molekul-air-padat-cair-gas
Perbandingan jarak antar molekul air pada faset padat, cair, dan gas

 

Anomali air ini juga yang membuat massa jenis es lebih rendah dibanding massa jenis air. Coba aja celupin es ke dalam air, pasti es-nya mengambang. Kalau inget hukum archimedes, pasti lo tau bahwa yang mengambang pada air itu adalah benda yang massa jenisnya lebih kecil dibanding massa jenis air.

Terus apa hubungannya sama teh botol tadi? Jadi gini:

  1. Ketika teh botol dimasukkan ke dalam kulkas, suhu di dalam botol turun sampai di bawah 0o C.
  2. Air di dalam botol mulai memuai karena anomali air itu.
  3. Air yang memuai ini menekan udara di dalam botol.
  4. Karena botol tertutup rapat, udara di dalam botol tidak bisa keluar. Akibatnya tekanan udara pada botol naik.
  5. Naiknya tekanan udara membuat air tetap berada dalam fase cair meskipun suhunya di bawah 0o C.

Jadi itulah penjelasannya kenapa teh botol tidak membeku ketika dimasukkan ke dalam freezer. Nah, setelah kita mengerti konsep ini, sekarang kita bisa kembali lagi ke pertanyaan yang paling awal: kenapa teh botol itu membeku ketika tutupnya dibuka?

 

Kenapa teh botol membeku ketika tutupnya dibuka?

Kalau lo udah ngerti konsep di atas, pasti bisa jawab. Teh botol membeku karena ketika tutupnya dibuka, tekanannya akan mengikuti tekanan udara sekitar, yaitu 1 atm, sementara suhunya masih sama dengan suhu freezer (seperti terlihat pada diagram di bawah – warna hijau). Apa yang terjadi pada air pada suhu di bawah 0o C dan tekanan 1 atm? Yeap, exactly, dia membeku. 🙂

teh-botol-ketika-dibuka-diagram-fase1 copy****

Sekali lagi, sains dapat menjelaskan secara indah fenomena-fenomena yang mungkin terlihat sepele dalam kehidupan kita sehari-hari. Tapi untuk bisa menjelaskan fenomena tersebut, dibutuhkan pemahaman konsep yang kuat. Makanya Zenius ga bosen-bosen deh untuk ingetin kalian semua betapa penting dan serunya untuk mempelajari sesuatu itu dari konsep dasarnya.

Anyway.. Kalo lo punya pertanyaan tentang fenomena-fenomena “aneh” di kehidupan sehari-hari yang bikin lo penasaran dan kayaknya seru untuk dibikin eksperimennya seperti fenomena teh botol membeku di atas, lo bisa ajukan ide eksperimen tersebut di comment section di bawah artikel ini. Ide eksperimen yang paling seru akan coba kita ujikan, diskusikan bareng, dan kita paparkan penjelasannya di Zeniu sBlog. 🙂

 

—————————CATATAN EDITOR—————————

Kalo ada di antara kamu yang mau nanya atau diskusi dengan Wisnu terkait penjelasan fenomena pembekuan teh botol di atas, langsung aja tinggalin comment di bawah artikel ini ya. Plus, kalo kamu tertarik untuk kasih ide eksperimen ke kita, tinggalin juga komen di bawah ya.

Tertarik belajar dengan zenius.net? Kamu bisa pesan membership zenius.net di sini.