Sebagaimana telah kita lihat dalam bagian sebelumnya, suatu zat dapat
mengalami perubahan suhu ketika energi ditransfer antara zat tersebut
dan sekitarnya. Dalam beberapa situasi, transfer energi tidak
mengakibatkan perubahan suhu. Ini adalah kasus kapanpun karakteristik
fisik dari perubahan substansi dari satu bentuk ke bentuk lainnya,
perubahan tersebut sering disebut sebagai perubahan fase. Dua perubahan
fasa umum adalah dari padat menjadi cair (mencair) dan dari cair ke gas
(mendidih), yang lain adalah perubahan dalam struktur kristal yang
solid. Semua perubahan fase tersebut melibatkan perubahan energi
internal sistem tetapi tidak ada perubahan suhu. Kenaikan energi
internal dalam mendidih, misalnya, diwakili oleh pemecahan ikatan antara
molekul dalam keadaan cair, ini melanggar ikatan memungkinkan molekul
untuk bergerak jauh terpisah dalam bentuk gas, dengan peningkatan yang
sesuai dalam energi potensial antarmolekul.
Seperti yang Anda duga, zat yang berbeda merespon secara berbeda
terhadap penambahan atau pengurangan energi mereka ketika berubah fase
karena pengaturan molekul internal mereka bervariasi. Juga, jumlah
energi yang ditransfer selama fase perubahan tergantung pada jumlah zat
yang terlibat. (Dibutuhkan sedikit energi untuk melelehkan es batu
daripada yang dilakukannya untuk mencairkan danau beku.) Ketika membahas
dua tahap material, kita akan menggunakan istilah bahan fase lebih
tinggi yang berarti materi yang ada pada suhu yang lebih tinggi. Jadi,
misalnya, jika kita membahas air dan es, air adalah bahan yang lebih
tinggi fasenya, sedangkan uap adalah bahan yang lebih tinggi fasenya
dalam membahas uap dan air. Pertimbangkan sebuah sistem yang mengandung
zat dalam dua tahap dalam kesetimbangan seperti air dan es. Jumlah awal
bahan fase tinggi, air, dalam sistem adalah mi. Sekarang bayangkan bahwa
energi Q memasuki sistem. Akibatnya, jumlah akhir air mf karena
mencairnya sebagian es. Oleh karena itu, jumlah es yang mencair, sama
dengan jumlah air yang baru, adalah ∆m = mf - mi. Kita mendefinisikan
kalor laten untuk perubahan fasa sebagai:
L ≡ Q/∆m
(20.6)
Parameter ini disebut kalor laten (harfiah, kalot "tersembunyi") karena
ini penambahkan atau pengurangan energi yang tidak mengakibatkan
perubahan suhu. Nilai L untuk bahan tergantung pada sifat dari perubahan
fasa serta sifat-sifat zat. Jika seluruh jumlah bahan berfase lebih
rendah mengalami perubahan fase, perubahan massa ∆m dari bahan berfase
lebih tinggi adalah sama dengan massa awal bahan berfase lebih rendah.
Sebagai contoh, jika es batu bermassa m di piring mencair sepenuhnya,
perubahan massa air mf - 0 = m, yang merupakan massa air baru dan juga
sama dengan massa awal es batu.
Dari definisi kalor laten, dan lagi memilih kalor sebagai mekanisme
transfer energi kita, energi yang dibutuhkan untuk mengubah fase zat
murni
Q = L ∆m
di mana ∆m adalah perubahan massa bahan yang fasenya lebih tinggi.
Kalor laten fusi Lf adalah istilah yang digunakan ketika perubahan fase
dari padat menjadi cair (untuk memadukan cara "menggabungkan dengan
peleburan"), dan kalor laten penguapan Lv adalah istilah yang digunakan
ketika perubahan fasa dari cair ke gas (cairan "menguap"). Kalor laten
berbagai zat bervariasi seperti data yang ditunjukkan pada Tabel 20.2.
Ketika energi memasuki sistem, menyebabkan pencairan atau penguapan,
jumlah bahan dengan fase lebih tinggi meningkat, sehingga ∆m positif dan
Q adalah positif, konsisten dengan konvensi tanda kita. Ketika energi
diekstrak dari sistem, menyebabkan pembekuan atau kondensasi, jumlah
materi dengan fase lebih tinggi menurun, sehingga ∆m adalah negatif dan Q
adalah negatif, sekali lagi konsisten dengan konvensi tanda kita. Perlu
diingat bahwa ∆m dalam Persamaan 20.7 selalu mengacu pada materi dengan
fase yang lebih tinggi.
Untuk memahami peran dari kalor laten dalam perubahan fase,
mempertimbangkan energi yang dibutuhkan untuk mengubah sebuah kubus es
1,0 g pada suhu -30,0 0C menjadi uap pada suhu 120,0 0C. Gambar 20.3
menunjukkan hasil eksperimen yang diperoleh ketika energi secara
bertahap ditambahkan ke es. Hasil disajikan sebagai grafik suhu sistem
es batu dibandingkan energi yang ditambahkan ke sistem. Mari kita
periksa setiap bagian dari kurva merah-coklat, yang dibagi menjadi
beberapa bagian A sampai E.
Bagian A. Pada bagian kurva ini, perubahan suhu es dari -30,0 0C sampai
0,00C. Persamaan 20.4 menunjukkan bahwa suhu berubah secara linear
dengan energi yang ditambahkan, sehingga hasil eksperimen adalah garis
lurus pada grafik. Karenakalor jenis es 2090 J/kg∙0C, kita dapat
menghitung jumlah energi yang ditambahkan dengan menggunakan Persamaan
20.4:
Q = mici ∆T = (1,0 x 10-3 kg) (2090 J/kg∙0C) (30,0 0C) = 62,7 J
Bagian B. Ketika suhu es mencapai 0,0 0C, campuran es-air tetap pada
suhu ini-bahkan meskipun energi yang ditambahkan- sampai semua es
mencair. Energi yang dibutuhkan untuk mencairkan 1,00 g es pada suhu 0,0
0C, dari Persamaan 20.7,
Q = Lf ∆mw = Lfmi = (3,33 x 105 J/kg) (1.00 x 10-3 kg) = 333 J
Pada titik ini, kita telah pindah ke 396 J (=62,7 J + 333 J) tanda pada
sumbu energi pada Gambar 20.3.
Bagian C. Antara 0,0 0C dan 100,0 0C, ada yang mengejutkan terjadi.
Tidak ada perubahan fase terjadi, dan sehingga semua energi yang
ditambahkan ke dalam air digunakan untuk meningkatkan suhu. Jumlah
energi yang diperlukan untuk meningkatkan suhu dari 0,0 0C sampai 100,0
0C:
Q = mwcw ∆T = (1,00 x 10-3 kg) (4,19 x 103 J/kg∙0C) (100,0 0C) = 419 J
Bagian D. Pada 100,0 0C, perubahan fasa yang lain terjadi karena
perubahan air dari air pada 100,0 0C menjadi uap pada 100,0 0C. Serupa
dengan campuran air es di bagian B, campuran air-uap tetap pada 100,0
0C-meskipun energi yang ditambahkan-sampai semua cairan telah dikonversi
menjadi uap. Energi yang dibutuhkan untuk mengkonversi 1,00 g air
menjadi uap pada 100,0 0C:
Q = Lv ∆ms = Lvmw = (2,26 x 106 J/kg) (1,00 x 10-3 kg) = 2,26 x 103 J
Bagian E. Pada bagian kurva ini, seperti di bagian A dan C, tidak ada
perubahan fase terjadi, karena itu, semua energi yang ditambahkan
digunakan untuk meningkatkan suhu uap. Energi yang harus ditambahkan
untuk menaikkan suhu uap dari 100,0 0C sampai 120,0 0C:
Q = mscs ∆T = (1,00 x 10-3 kg) (2,01 x 103 J/kg∙0C) (20,0 0C) = 40,2 J
Jumlah total energi yang harus ditambahkan untuk mengubah 1 g es pada
suhu -30,0 0C menjadi uap pada suhu 120,0 0C adalah jumlah dari hasil
dari lima bagian kurva, yaitu 3,11 x 103 J. Sebaliknya, untuk
mendinginkan 1 g uap pada 120,0 0C menjadi es pada suhu -30,0 0C, kita
harus menghilangkan 3,11 x 103 J energi.
Perhatikan pada Gambar 20.3 jumlah yang relatif besar dari energi yang
ditransfer ke dalam air untuk diuapkan menjadi uap. Bayangkan
membalikkan proses ini, dengan sejumlah besar energi yang ditransfer
dari uap mengembun menjadi air. Itu sebabnya luka bakar pada kulit Anda
dari uap pada suhu 100 0C jauh lebih merusak daripada paparan kulit Anda
ke air pada suhu 100 0C. Sejumlah energi yang sangat besar memasuki
kulit Anda dari uap, dan uap tetap pada 100 0C untuk waktu yang lama
sementara itu mengembun. Sebaliknya, bila kulit Anda mengalami kontak
dengan air pada suhu 100 0C, air segera mulai turun suhunya sebagai
transfer energi dari air ke kulit Anda.
Jika air cair dibiarkan diam dalam wadah yang sangat bersih, adalah
mungkin bagi air untuk turun suhunya di bawah 0 0C tanpa membeku menjadi
es. Fenomena ini, yang disebut supercooling (pendinginan), muncul
karena air memerlukan gangguan semacam molekul untuk bergerak terpisah
dan mulai membentuk jadi besar, struktur es terbuka yang membuat
kepadatan es lebih rendah dari air seperti yang dibahas dalam Bagian
19.4. Jika air super dingin terganggu, ia tiba-tiba membeku. Sistem
menetes ke konfigurasi energi yang lebih rendah dari molekul terikat
dari struktur es, dan energi yang dilepaskan menaikkan suhu kembali ke 0
0C.
Tangan komersial penghangat terdiri dari natrium asetat cair dalam
kantong plastik tertutup. Solusi dalam kantong dalam keadaan stabil
superdingin. Ketika disk dalam kantong diklik oleh jari-jari Anda,
cairan membeku dan suhu meningkat, seperti air super dingin yang
disebutkan. Dalam kasus ini, bagaimanapun, titik beku cairan lebih
tinggi dari suhu tubuh, sehingga kantong terasa hangat saat disentuh.
Untuk menggunakan kembali tangan hangat, kantong harus direbus sampai
padat mencair. Kemudian, karena cools, melewati bawah titik beku ke
keadaan super dingin.
Hal ini juga memungkinkan untuk membuat superheating. Misalnya, air
bersih dalam cangkir sangat bersih ditempatkan dalam oven microwave
kadang-kadang dapat kenaikan suhu melebihi 100 0C tanpa mendidih karena
pembentukan gelembung uap dalam air membutuhkan goresan dalam cangkir
atau beberapa jenis kotoran dalam air untuk melayani sebagai situs
nukleasi. Ketika cangkir dipindahkan dari oven microwave, air
superheated bisa menjadi ledakan seperti gelembung yang terbentuk segera
dan air panas dipaksa ke atas dari cangkir (Serway,2010:572-575).
0 komentar:
Posting Komentar