Anomali Air

Pada umumnya hampir setiap zat cair akan memuai bila dipanaskan, dan akan menyusut bila didinginkan. Tetapi tidak demikian halnya dengan air. Pada suhu 0 °C hingga 4 °C, air menunjukkan perilaku yang berbeda, dimana bila dipanaskan maka volumenya akan menyusut (berkurang) dan bila didinginkan maka volumenya akan mengembang (memuai). Hal yang bertentangan dengan sifat pemuaian ini dinamakan anomali air. Jadi, bila air dipanaskan dari mulai suhu 0 °C hingga 4 °C volumenya akan berkurang, dan pada suhu lebih dari 4 °C volumenya akan bertambah.

Bumi yang berpenduduk kurang lebih 5,7 milyar orang memiliki dua belahan kutub yakni kutub utara dan selatan. Beberapa makhluk hidup yang berada di kedua kutub ini berbeda dengan makhluk hidup yang tinggal di daratan. Beruang kutub berada di kutub utara dan di kutub selatan terdapat pinguin, keduanya hidup di bongkahan es raksasa yang mengapung di atas air. Keberadaan bongkahan es ini tidak hanya memberikan kehidupan bagi penduduk di kutub, namun ternyata dapat pula membahayakan kapal laut yang sedang mengarungi laut lepas. Keberadaan bongkahan es yang berpindah-pindah akan menyulitkan nakhoda untuk memprediksi keberadaannya. Hal ini yang terjadi pada Titanic pada tahun 1912 yang menewaskan 1800 orang. Peristiwa ini mungkin kecelakaan laut yang paling mengerikan. Kapal Titanic yang terbuat dari bahan logam terbaik akhirnya tenggelam setelah menghantam gunung es di samudra atlantik.

Mengapungnya bongkahan es di lautan merupakan salah satu fenomena fisika yang berkaitan dengan salah satu sifat yang menarik dari air yaitu anomali air. Sifat pengecualian pada air terjadi pada kisaran suhu 40 C. Anomali air merupakan fenomena ketidakwajaran sifat air yang berkaitan dengan pemuaian.

Kapan benda mengapung?

Ada tiga kemungkinan keadaan benda yang dimasukan ke dalam zat cair, yaitu tenggelam, mengapung dan melayang. Ketiga keadaan tersebut ditentukan oleh massa jenis benda dan zat cair. Sebuah benda akan mengapung jika massa jenisnya lebih kecil dibandingkan massa jenis air. Massa jenis ini bergantung pada massa dan volum benda itu sendiri. Misalnya jika sebuah benda hendak diperbesar massa jenisnya pada massa yang tetap, maka volumnya dapat diperbesar. Keadaan mengapung sebuah benda dapat mudah ditemukan di sekeliling kita. Kapal laut misalnya yang mengapung di samudra atau kayu gelondongan di sungai-sungai yang terbawa arus. Di samudera Atlantik pun terdapat bongkahan es yang banyak mengapung di atas air. Karena kapal laut, kayu ataupun bongkahan es tersebut mengapung di atas air, maka dapat disimpulkan bahwa ketiganya memiliki massa jenis yang lebih kecil dari air. Faktanya air memiliki massa jenis 1.000 kg/m3 dan es 917 kg/m3 sehingga secara teori pun pasti es akan mengapung di atas air. Saat mengapung, bagian volum benda ada yang tercelup dan sisanya berada di atas air. Bagian benda yang tercelup merupakan rasio massa jenis benda dan air. Bongkahan es yang berada di air 91,7% volumnya akan tercelup di air. Maka dengan hanya mengetahui bagian bongkahan es yang berada di atas air, kita dapat menentukan volum total bongkahan es tersebut.

Kenapa sebuah benda dapat mengapung?

Sekeping baja yang dijatuhkan ke sungai seketika akan tenggelam. Apakah hal yang sama akan terjadi pada sebatang kayu? Kenyataannya kayu ternyata akan mengapung di atas sungai. Seakan air memberikan gaya ke atas pada kayu sehingga kayu tidak tenggelam. Gaya ke atas ini akan dialami oleh sebuah benda yang berada di dalam air. Tepatnya gaya angkat ini merupakan gaya apung yang diberikan fluida. Fluida yang merupakan zat alir yang contohnya adalah air dan udara. Hal yang jelas terlihat adalah pada peristiwa balon udara. Udara sekitar balon udara memberikan dorongan ke atas bahkan mengalahkan berat balon udara beserta isinya sehingga balon udara dapat bergerak ke atas. Pada keping baja pun sebenarnya terdapat gaya apung dari air. Namun karena gaya apungnya tidak mampu menanggulangi beratnya, maka keping baja pun tenggelam.

Kapan air mengalami anomali?

Peristiwa anomali air erat kaitannya dengan konsep pemuaian. Dapat diamati bagaimana kabel listrik PLN yang panjangnya berubah-ubah atau mengapa rel kereta api dibuat renggang satu sama lain. Jawabannya adalah karena pada umumnya benda akan memuai ketika memperoleh kalor sehingga ukurannya bertambah. Partikel-partikel penyusun sebuah benda akan bertambah jaraknya jika memperoleh kalor sehingga hal ini berdampak pada ukurannya. Melalui pemahaman ini kita dapat menduga bahwa besi dengan massa tetap akan memiliki volum lebih besar saat suhunya 100 0C dibandingkan saat suhunya 0 0C. Mungkin kita dapat sedikit menyimpulkan bahwa semakin tinggi suhu suatu benda, maka semakin besar volumnya.

Lantas bagaimana dengan air? Apakah air pada suhu 100 0C memiliki volum yang besar dibandingkan pada suhu 0 0C? Berdasarkan uraian di atas, maka kita harusnya sepakat menjawab 'ya'. Namun tahukah anda bahwa disinilah letak menariknya sifat air yang dikenal dengan anomali air atau pengecualiaan sifat air dari keadaan umum zat lainnya. Faktanya air memiliki volum terkecil pada suhu 40C. Bukan hal yang aneh jika kita mengatakan bahwa volum air pada suhu 10 0C memiliki volum lebih besar dibanding pada suhu 4 0C. Namun bagaimana dengan air pada suhu 0 0C? Apakah memiliki suhu yang lebih rendah dari air bersuhu 40C? Jawabannya tidak. Ternyata air mengalami pemuaian ketika didinginkan mulai 4 0C sama seperti saat air dipanaskan di atas suhu 4 0C. Aneh bukan! Artinya volum air terus bertambah saat didinginkan terus hingga akhirnya mencapai suhu 00C. Setelah mencapai suhu 0 0C, pada umumnya air akan mengalami perubahan wujud dari air menjadi es. Air akhirnya akan berwujud es pada suhu minus sehingga sudah jelas air pasti memiliki suhu yang lebih tinggi dari es namun dengan sifat anomalinya ternyata air justru memiliki volum yang lebih kecil.

Apa hubungan volum dengan massa jenis?

Massa jenis sebuah benda ditentukan oleh massa dan volum benda itu sendiri. Proses pemanasan dan pendinginan pada sebuah benda biasanya hanya akan mempengaruhi volum suatu benda, bisa bertambah atau berkurang. Artinya massa benda tersebut cenderung tetap.

Berdasarkan penjabaran sebelumnya kita menyimpulkan bahwa volum es lebih besar dibandingkan dengan air. Jika dikaitkan dengan hubungannya dengan massa jenis, maka jelas massa jenis es lebih kecil dibanding air.

Perubahan volum sebuah benda yang bisa akibatkan oleh pemuaian jelas akan mengubah massa jenisnya. Hal ini terjadi pada proses pemanasan air di kompor misalnya. Saat suhu air bertambah, maka jelas volumnya pun bertambah dan akibatnya pasti massa jenisnya pun akan berkurang. Air di dasar panci memiliki suhu yang lebih tinggi sehingga volumnya lebih besar dan massa jenisnya pasti akan menjadi lebih kecil. Jika volum benda lebih besar, maka massa jenisnya pun akan semakin kecil. Kita dapat menyimpulkan bahwa air di dasar panci memiliki massa jenis yang lebih kecil dibandingkan di bagian atas sehingga air dari dasar panci akan bergerak ke atas. Hal ini lah yang menyebabkan terjadinya arus konveksi di panci.

Sentuhan anomali

Teramat banyak kehidupan yang terancam seandainya tidak ada sentuhan anomali ini. Bayangkan saat air berlaku normal seperti zat lainnya. Es pada suhu 0 0C hingga suhu minus pasti akan memiliki volum yang lebih kecil dibanding air pada suhu positif sehingga massa jenis es akan lebih besar dibanding air. Apa akibatnya? Sudah dipastikan berdasarkan teori bahwa es akan tenggelam di air. Jika ini terjadi maka tragedi Titanic 1912 tidak akan terjadi tapi hal yang lebih buruk dapat terjadi. Sangat dimungkinkan dasar lautan akan menjadi es sehingga kehidupan dasar laut akan musnah. Makhluk hidup seperti pinguin atau beruang kutub akan terancam tidak memiliki tempat hidup karena tak ada lagi es yang mengapung. Selebihnya anda bisa membayangkan sendiri dampak-dampak yang dapat terjadi jika ini terjadi.

Bongkahan es di samudera atlantik mungkin secuil dari sekian banyak bukti bahwa segala sesuatu yang berhubungan dengan kehidupan telah terukur dengan sangat teliti