Saat Anda menunggu sepanci air memanas di atas kompor, gelembung-gelembung kecil adalah tanda pertama air akan mendidih. Saat air semakin panas, gelembung-gelembungnya semakin besar, hingga mendidih menandakan air telah mencapai 212 derajat Fahrenheit (100 derajat Celcius).
Atau benarkah? Siapa pun yang pernah merebus air dalam microwave akan menyadari tidak adanya gelembung. Lantas, mengapa air mendidih memiliki gelembung, kecuali di microwave?
“Titik didih berarti bahwa pada suhu di atas itu, molekul Anda lebih bahagia menjadi uap daripada cair,” katanya Jonathan Boreykoseorang dinamisme fluida di Virginia Tech. Di atas 212 F, energi intrinsik molekul air – yang dikenal sebagai potensial kimia – lebih rendah untuk gas daripada cairan, menjadikan uap sebagai bentuk yang paling stabil.
“Tetapi untuk benar-benar melakukan perebusan, Anda harus menciptakan gelembung, yang memerlukan energi,” kata Boreyko kepada Live Science. “Jadi, hanya karena kamu lebih bahagia menjadi uap bukan berarti kamu akan berhasil merebusnya.”
Oleh karena itu, suhu di mana air benar-benar mendidih merupakan trade-off antara bahan kimia tersebut energi potensial disimpan dengan menjadi gas dan energi yang dikeluarkan untuk membentuk gelembung.
Yang terpenting, gelembung bukan hanya volume gas tetapi juga antarmuka antara fase gas dan cair. Dan seperti semua antarmuka cair, permukaan ini tunduk pada tegangan permukaan.
Tegangan permukaan adalah gaya yang terus-menerus berusaha mengecilkan batas gas-cair hingga luas sekecil mungkin. Dalam kasus gelembung, ini berarti seluruhnya hancur kembali menjadi cairan seragam. Oleh karena itu, gelembung yang stabil harus mengandung cukup gas sehingga potensi penghematan energi kimianya lebih besar daripada tegangan permukaan antarmuka, sehingga gelembung yang lebih besar menjadi lebih stabil.
“Ketegangan permukaan pada dasarnya adalah biaya energik per area,” kata Boreyko. “Gelembung yang sangat kecil memiliki rasio luas permukaan terhadap volume yang sangat besar, sedangkan gelembung yang lebih besar memiliki luas yang relatif lebih kecil terhadap volumenya. Semakin besar volumenya, semakin mendominasi volumenya, sehingga melebihi biaya tegangan permukaan.”
Akibatnya, air sering kali tidak mendidih sampai suhunya sedikit lebih tinggi dari 212 F – sebuah fenomena yang dikenal sebagai superheating. Titik didih menandai suhu di mana gas menjadi lebih stabil daripada cairan, dan derajat tambahannya menunjukkan energi aktivasi yang diperlukan untuk membuat gelembung yang cukup besar.
Namun, berbagai faktor mempengaruhi seberapa mudah gelembung ini terbentuk, Mirko Galloseorang ahli dinamisme fluida di Universitas Sapienza Roma, mengatakan kepada Live Science.
“Gas terlarut, kotoran di dalam air, permukaan wadah semuanya dapat mengurangi penghalang energi untuk pembentukan gelembung,” jelas Gallo. Ketidakteraturan dalam sebagian besar cairan ini memberikan titik nukleasi yang berbeda di sekitar gelembung yang dapat terbentuk, mengurangi penalti tegangan permukaan untuk membentuk gelembung yang sepenuhnya berbentuk bola.
“Jika Anda membentuk gelembung di salah satu tepinya, ukurannya hanya setengah bola, sehingga permukaannya lebih kecil dan membutuhkan lebih sedikit energi,” tambahnya. Itu sebabnya gelembung pertama selalu muncul di batas pot.
Air mendidih dalam microwave
Sebaliknya, dalam microwave, kondisi pemanasan yang tidak biasa menekan pembentukan gelembung dengan sangat efektif sehingga air dapat menjadi sangat panas hingga 36 F (20 C).
“Gelombang elektromagnetik menembus dan menarik molekul air ke seluruh volume, sehingga memanaskan air dengan sangat cepat dan seragam, sedangkan di atas kompor, dinding bawah pancilah yang paling panas,” jelas Boreyko. “Kamu juga cenderung begitu [heat up things in a microwave] dalam wadah yang cukup halus — katakanlah, kaca — sehingga Anda tidak memiliki hotspot lokal yang membantu Anda mengatasi hambatan energi untuk membuat antarmuka pertama.”
Penyimpanan energi potensial kimia yang sangat besar dalam cairan super panas ini secara spontan dilepaskan dalam bentuk gelembung raksasa yang dapat meledak segera setelah wadahnya dirusak, sehingga air yang dipanaskan dalam microwave ternyata sangat berbahaya.
Namun pemanasan berlebih tidak hanya terjadi pada air; itu mungkin untuk cairan apa pun, kata Gallo.
“Air memiliki tegangan permukaan yang sangat tinggi dibandingkan dengan kebanyakan cairan, namun pada dasarnya, semakin tinggi tegangan permukaan, semakin dramatis efeknya,” tambah Boreyko.
