Gelas seharusnya tidak mendidih. Tapi itu terjadi.
Sebuah tim fisikawan menyemprotkan batu kecil dari kaca ke dalam tungku dengan voltase listrik tentang apa yang akan Anda dapatkan dari outlet di rumah Anda. Itu cukup listrik untuk memanaskan gelas, yang sudah cukup hangat dari tungku pemanas ruangan. Tapi itu seharusnya tidak cukup untuk mendidihkan gelas. Kaca tidak mendidih sampai mencapai suhu ribuan derajat di atas apa yang seharusnya dihasilkan saat ini. Namun, dalam oven mereka, ketika arus mengalir dan menciptakan medan listrik, fisikawan melihat "gumpalan uap" tipis naik dari sampel kaca.
Agar itu terjadi, arus listrik harus terkonsentrasi di satu bagian gelas, memberikan energinya tidak merata. Tapi ada masalah: Itu melanggar hukum.
Inilah masalahnya: Ketika arus listrik melewati bahan seragam, itu seharusnya memanaskan seluruh bahan secara merata. Para ilmuwan menyebut ini hukum pertama Joule, setelah ahli kimia Inggris James Prescott Joule, yang menemukannya pada awal 1840-an. Ini adalah fakta material dengan akar dalam hukum kekekalan energi, salah satu aturan paling mendasar yang mengatur alam semesta kita. Dan kami melihatnya di tempat kerja setiap hari; filamen bola lampu tidak akan bagus, bahkan bersinar tanpa hukum Joule di tempat kerja.
Tapi arus ini sepertinya melanggar hukum. Tidak hanya uap muncul dari beberapa bagian kaca, tetapi hotspot (terlihat pada kamera inframerah) menari dengan kencang di permukaannya. Berkali-kali dalam eksperimen mereka, hotspot muncul.
"Gelas ini seragam pada level paling kecil," Himanshu Jain, seorang ilmuwan material di Lehigh University di Bethlehem, Pennsylvania, dan penulis makalah yang menjelaskan fenomena yang diterbitkan pada 26 Februari di jurnal Nature Scientific Reports.
Kaca adalah isolator dan tidak membawa arus dengan baik; betapapun kecilnya, hal itu diharapkan mengubah sebagian besar arus menjadi panas. Pemikiran konvensional tentang hukum pertama Joule akan memprediksi bahwa arus listrik akan memanaskan gelas secara merata, menyebabkannya perlahan meleleh dan berubah bentuk, kata Jain kepada Live Science. Dan dalam sebagian besar keadaan, itulah yang terjadi.
"Kami melihat pelunakan gelas panas di bawah medan listrik," kata Jain, "dan itu yang belum pernah dilakukan siapa pun."
Ternyata pemanasan yang tidak rata itu membuang banyak energi di dekat anoda dalam gelas, titik masuknya arus. Jadi gelas itu meleleh dan menguap di sana, meskipun tetap kokoh di tempat lain. Suhu di hotspot jauh lebih panas daripada bagian gelas lainnya. Pada satu titik, satu wilayah gelas dipanaskan sekitar 2.500 F (1.400 C) dalam waktu kurang dari 30 detik.
Jadi apakah hukum Joule dilanggar? Ya dan tidak, kata Jain; berpikir secara makroskopis, tampaknya begitu. Secara mikroskopis, jawabannya adalah "tidak" - itu tidak berlaku untuk kaca secara keseluruhan lagi.
Di bawah hukum pertama Joule, medan listrik yang seragam harus memanaskan material secara merata. Tetapi pada suhu tinggi, medan listrik tidak hanya memanaskan kaca - ia mengubah susunan kimianya.
Medan listrik bergerak melalui kaca ketika ion bermuatan positif (atom dilucuti elektron bermuatan negatif) terlempar keluar dari posisi dan membawa muatan melintasi kaca, kata Jain. Ion-ion paling ringan bergerak terlebih dahulu, membawa arus listrik.
Gelas dalam pemasangan ini terbuat dari oksigen, natrium, dan silikon. Sodium, ion ringan yang terikat longgar, melakukan sebagian besar transportasi energi. Setelah natrium cukup bergeser, itu mengubah komposisi kimia kaca di dekat anoda. Dan begitu kimia berubah, gelas itu lebih seperti dua bahan yang berbeda, dan hukum Joule tidak lagi diterapkan secara seragam. Sebuah hotspot terbentuk.
Tidak ada yang memperhatikan efek sebelumnya, kata Jain, kemungkinan karena tidak menendang sampai gelas sudah cukup panas. Bahan dalam percobaan ini tidak mengembangkan hotspot sampai tungku mencapai sekitar 600 F (316 C). Itu tidak terlalu panas untuk kaca, tetapi jauh lebih panas daripada kondisi di mana sebagian besar mesin listrik menggunakan kaca dan listrik berfungsi.
Namun, untuk saat ini, para ilmuwan telah menemukan mengapa gelas itu mendidih padahal seharusnya tidak. Dan itu cukup menyenangkan.
Catatan editor: Artikel ini diperbarui untuk menunjukkan bahwa hukum Joule telah dilanggar dari satu perspektif tetapi bukan yang lain, serta untuk memperbaiki susunan kimiawi pengaturan kaca.
