Gelas itu tidak boleh direbus. Tetapi ia berlaku.
Pasukan ahli fizik melancarkan kiub kecil kaca dalam relau dengan voltan elektrik tentang apa yang akan anda dapatkan dari kedai di rumah anda. Sudah cukup elektrik untuk memanaskan gelas, yang sudah cukup hangat dari haba sekitar relau. Tetapi ia tidak sepatutnya mencukupi untuk mendidih kaca. Kaca tidak mendidih sehingga mencapai suhu beribu-ribu darjah di atas apa yang dihasilkan oleh arus. Bagaimanapun, dalam ketuhar mereka, apabila arus mengalir dan mencipta medan elektrik, para ahli fizik menyaksikan "wisp wap" nipis yang meningkat dari sampel kaca.
Untuk itu, arus elektrik perlu menumpukan perhatian kepada satu bahagian kaca, dengan memberikan tenaga yang tidak seimbang. Tetapi ada masalah: Itu bertentangan dengan undang-undang.
Inilah kesepakatan: Apabila arus elektrik melalui bahan seragam, ia sepatutnya memanaskan seluruh bahan secara merata. Para saintis memanggil undang-undang pertama Joule ini, selepas ahli kimia British, James Prescott Joule, yang menemuinya pada awal tahun 1840-an. Ini fakta material dengan akar dalam undang-undang pemuliharaan tenaga, salah satu peraturan yang paling asas yang mengawal alam semesta kita. Dan kita melihatnya bekerja setiap hari; filamen lampu bohlam tidak akan bagus, bahkan bercahaya tanpa undang-undang Joule di tempat kerja.
Tetapi sekarang ini seolah-olah melanggar undang-undang. Bukan sahaja kenaikan wap dari beberapa bahagian kaca, tetapi hotspot (kelihatan pada kamera inframerah) menantang di permukaannya. Sekali lagi dalam eksperimen mereka, titik panas muncul.
"Gelas ini seragam pada peringkat paling singkat," kata Himanshu Jain, seorang saintis bahan di Universiti Lehigh di Bethlehem, Pennsylvania, dan penulis bersama sebuah kertas yang menggambarkan fenomena yang diterbitkan pada 26 Februari di jurnal Nature Scientific Reports.
Kaca adalah penebat dan tidak membawa baik semasa; Walau bagaimanapun kecil, ia dijangka akan menjadikan kebanyakan arus itu menjadi panas. Pemikiran konvensional tentang undang-undang pertama Joule akan meramalkan bahawa arus elektrik akan memanaskan kaca dengan sama rata, menyebabkan ia perlahan mencair dan berubah, kata Jain kepada Sains Live. Dan dalam keadaan yang paling, itulah yang berlaku.
"Kami melihat kelembapan kaca panas di bawah medan elektrik," kata Jain, "dan itulah perkara yang tidak dilakukan oleh sesiapa."
Pemanasan yang tidak sekata itu, ternyata, adalah membuang banyak tenaga berhampiran anod di kaca, pintu masuk untuk arus. Jadi kaca itu mencair dan menguap di sana, walaupun ia tetap padat di tempat lain. Suhu di hotspot adalah lebih panas daripada sisa kaca. Pada satu ketika, rantau tunggal kaca dipanaskan kira-kira 2,500 F (1,400 C) dalam masa kurang dari 30 saat.
Begitu juga hukum Joule yang patah? Ya dan tidak, kata Jain; berfikir makroskopik, ia kelihatan begitu. Secara mikroskop, jawapannya adalah "tidak" - ia hanya tidak digunakan untuk kaca secara keseluruhan lagi.
Di bawah undang-undang pertama Joule, medan elektrik seragam harus memanaskan bahan secara merata. Tetapi pada suhu yang tinggi, medan elektrik tidak hanya memanaskan gelas - ia mengubah solek kimianya.
Bidang elektrik bergerak melalui kaca ketika ion-ion bermuatan positif (atom melepaskan elektron bercas negatif) dapat tersingkir dari kedudukan dan membawa cas ke kaca, kata Jain. Ion paling ringan bergerak pertama, membawa arus elektrik.
Kaca dalam persediaan ini dibuat daripada oksigen, sodium dan silikon. Natrium, ion ringan yang berikat longgar, melakukan kebanyakan pengangkutan tenaga. Apabila cukup sodium beralih, ia mengubah komposisi kimia kaca berhampiran anod. Dan apabila kimia berubah, kaca itu lebih seperti dua bahan yang berbeza, dan undang-undang Joule tidak lagi digunakan secara seragam. Sebuah hotspot terbentuk.
Tiada siapa yang melihat kesan itu sebelum ini, kata Jain, mungkin kerana ia tidak menendang sehingga kaca itu sudah cukup panas. Bahan dalam eksperimen ini tidak menghasilkan titik panas sehingga relau mencapai 600 F (316 C). Itu tidak terlalu panas untuk kaca, tetapi ia lebih panas daripada keadaan di mana kebanyakan mesin elektrik menggunakan kaca dan kerja elektrik.
Buat masa ini, bagaimanapun, para saintis telah mengetahui mengapa kaca mendidih apabila ia tidak seharusnya. Dan itu cukup menarik dengan sendirinya.
Nota editor: Artikel ini telah dikemaskini untuk menunjukkan bahawa undang-undang Joule telah dipecahkan dari satu perspektif tetapi tidak satu lagi, serta untuk menetapkan solek kimia persediaan kaca.
