Ekspansi Termal Zat Padat dan Cair

Diskusi kita tentang termometer cair memanfaatkan salah satu perubahan paling terkenal dalam suatu zat: dengan meningkatnya suhu, volumenya meningkat. Fenomena ini, dikenal sebagai ekspansi termal, memainkan peran penting dalam berbagai aplikasi teknik. Misalnya, ekspansi termal sambungan seperti yang ditunjukkan pada Gambar yang harus disertakan dalam bangunan, jalan raya beton, rel kereta api, dinding bata, dan jembatan untuk mengkompensasi perubahan dimensi yang terjadi karena perubahan suhu. 

Ekspansi termal merupakan konsekuensi dari perubahan pemisahan rata-rata antara atom dalam suatu objek. Untuk memahami konsep ini, mari kita modelkan atom sebagaimana yang terhubung dengan pegas kaku seperti yang dibahas dalam Bagian 15.3 dan ditunjukkan pada Gambar 15.11b. Pada suhu biasa, atom dalam benda padat berosilasi di sekitar posisi keseimbangannya dengan amplitudo sekitar 10^-11 m dan frekuensi sekitar 10¹³ Hz. Rata-rata jarak antara atom adalah sekitar 10^-10 m. Ketika suhu benda padat meningkat, atom berosilasi dengan amplitudo yang lebih besar, sebagai akibatnya, pemisahan rata-rata antara mereka meningkat. Akibatnya, objek mengembang.

Jika ekspansi termal relatif cukup kecil untuk dimensi awal obyek, perubahan dalam dimensi apapun, untuk pendekatan yang baik, sebanding dengan daya pertama dari perubahan suhu. Misalkan sebuah benda memiliki panjang awal L_i sepanjang beberapa arah pada beberapa suhu dan panjang meningkat sebesar ∆L untuk perubahan suhu ∆T. Karena lebih mudah untuk mempertimbangkan perubahan fraksional panjang per derajat perubahan suhu, kita mendefinisikan rata-rata koefisien ekspansi linear sebagai:

     

 Percobaan menunjukkan bahwa α konstan untuk perubahan kecil pada suhu. Untuk tujuan perhitungan, persamaan ini biasanya ditulis sebagai:

∆L = αL_i ∆T                                                                                                      (19.4) 

atau seperti:

L_f - L_i = α L_i (T_f - T_i)                                                                                         (19.5) 

dimana L_f adalah panjang akhir, T_i dan T_f , masing-masing adalah suhu awal dan akhir, dan proporsionalitas konstanta α adalah rata-rata koefisien ekspansi linear untuk bahan tertentu dan memiliki satuan (⁰C)^-1. Persamaan 19.4 dapat digunakan untuk kedua ekspansi termal, ketika suhu material meningkat, dan kontraksi termal, jika suhunya menurun.

Ini mungkin membantu untuk berpikir dari ekspansi termal sebagai perbesaran efektif atau sebagai pembesaran fotografi obyek. Misalnya, ketika pencuci logam dipanaskan (Gambar. 19,8), semua dimensi, termasuk jari-jari lubang, meningkat sesuai dengan Persamaan 19.4. Sebuah rongga dalam sepotong kain mengembang dengan cara yang sama seperti jika rongga diisi dengan materi.

Tabel 19.1 daftar koefisien rata-rata ekspansi linear untuk berbagai bahan. Untuk materi ini, α adalah positif, menunjukkan peningkatan panjang seiring dengan meningkatnya suhu. Namun, itu tidak selalu terjadi. Beberapa zat-kalsit (CaCO₃) adalah salah satu contoh-mengembang seiring satu dimensi (α positif) dan menyusut bersama yang lain (α negatif) karena suhu mereka meningkat.

Karena dimensi linear dari perubahan objek terhadap suhu, maka perubahan luas permukaan dan volume juga demikian. Perubahan volume sebanding dengan volume awal V_i dan untuk perubahan suhu sesuai dengan hubungan:

∆V = β V_i ∆T                                                                                                   (19.6)

di mana β adalah koefisien rata-rata ekspansi volume. Untuk menemukan hubungan antara β dan α, asumsikan rata-rata koefisien ekspansi linear zat padat adalah sama di semua arah, yaitu, menganggap materi bersifat isotropik. Pertimbangkan kotak benda padat dengan dimensi l, w, dan h. Volumenya pada beberapa suhu T_i adalah V_i= lwh. Jika perubahan suhu T_i+∆T, perubahan volume menjadi V_i +∆V, di mana setiap dimensi berubah sesuai dengan Persamaan 19.4. Oleh karena itu,

V_i + ∆V = (l + ∆l) (w + ∆w) (h + ∆h)
= (l + α l ∆T) (w + αw ∆T) (h + αh ∆T)
= lwh (1 + α ∆T)³
= V_i [1 + 3α ∆T + 3(α ∆T)² + (α ∆T)³]

Membagi kedua sisi dengan V_i dan mengisolasi istilah ∆V/V_i, kita memperoleh perubahan fraksional volume:

∆V/V_i = 3α ∆T + 3 (α ∆T)² + (α ∆T)³ 

Karena α∆T << 1 untuk nilai-nilai khas ∆T ( < ~100⁰C), kita dapat mengabaikan ketentuan 3(α∆T)² dan (α∆T)³. Setelah membuat pendekatan ini, kita melihat bahwa

∆V/V_i = 3α ∆T  →  ∆V = (3α)V_i ∆T 

Membandingkan ekspresi ini untuk Persamaan 19.6 menunjukkan bahwa

β = 3α

Dengan cara yang sama, Anda dapat menunjukkan bahwa perubahan dalam luas piring persegi panjang diberikan oleh ∆A = 2α A_i ∆T.

             Mekanisme sederhana yang disebut bimetallic strip (Keping bimetal), ditemukan pada perangkat praktis seperti termostat, menggunakan perbedaan koefisien ekspansi untuk bahan yang berbeda. Ini terdiri dari dua keping logam tipis berbeda yang terikat bersama. Ketika suhu kepingan meningkat, dua logam mengembang dengan jumlah yang berbeda dan tikungan kepingan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 19.9.

Perilaku Air Yang tidak biasa 

Cairan umumnya mengalami peningkatan volume dengan meningkatnya suhu dan memiliki koefisien rata-rata ekspansi volume sekitar sepuluh kali lebih besar daripada zat padat. Air dingin merupakan pengecualian untuk aturan ini seperti yang Anda lihat dari kurva densitas versus temperatur yang ditunjukkan pada Gambar 19.11. Karena suhu meningkat dari 0⁰C ke 4⁰C, air menyusut dan densitasnya meningkatkan. Di atas 4⁰C, air mengembang dengan meningkatnya suhu dan kepadatannya menurun. Oleh karena itu, kepadatan air mencapai nilai maksimum 1.000 g/cm³ pada 4⁰C. 

  

Kita dapat menggunakan perilaku ekspansi termal yang tidak biasa dari air untuk menjelaskan mengapa kolam mulai membeku pada permukaan daripada bagian bawah. Ketika suhu udara turun, misalnya 7⁰C ke 6⁰C, air permukaan juga menjadi dingin dan akibatnya terjadi penurunan volume. Permukaan air lebih padat daripada air di bawahnya, yang belum didinginkan dan belum mengalami penurunan volume. Akibatnya, air permukaan tenggelam, dan air hangat dari bawah bergerak ke permukaan. Ketika suhu udara antara 4⁰C dan 0⁰C, bagaimanapun, permukaan air mengembang saat mendingin, menjadi kurang padat daripada air di bawahnya. Proses pencampuran berhenti, dan akhirnya air permukaan membeku. Ketika air membeku, es tetap di permukaan karena es kurang padat dibandingkan air. Es terus terbentuk di permukaan, sementara air di dekat bagian bawah tetap pada 4⁰C. Jika itu tidak terjadi, ikan dan bentuk lain dari kehidupan laut tidak akan bertahan (Serway, 2010:549-553).

Read More

Termometer Gas dan Skala Suhu Mutlak

Salah satu versi termometer gas yang merupakan peralatan dengan volume konstan yang ditunjukkan pada Gambar 19.3. Perubahan fisik yang dimanfaatkan dalam perangkat ini adalah perubahan tekanan dari volume tetap gas terhadap suhu. Labu direndam dalam bak air es, dan merkuri waduk B dinaikkan atau diturunkan sampai bagian atas merkuri di kolom A berada pada titik nol pada skala. Ketinggian h, perbedaan antara tingkat merkuri dalam reservoir B dan kolom A, menunjukkan tekanan dalam labu di 0⁰C dengan cara Persamaan 14.4, P = P₀ + ρgh.

Labu tersebut kemudian direndam dalam air pada titik uap. Reservoir B menyesuaikan diri sampai atas merkuri di kolom A lagi di skala nol, yang menjamin bahwa volume gas adalah sama seperti ketika labu itu di kamar mandi es (maka penunjukan "konstanta Volume") . Penyesuaian reservoir B memberikan nilai tekanan gas pada 100⁰C. Keduanya, nilai tekanan dan temperatur tersebut kemudian diplot seperti yang ditunjukkan pada Gambar 19.4. Garis yang menghubungkan dua titik berfungsi sebagai kurva kalibrasi untuk suhu yang tidak diketahui. (Percobaan lain menunjukkan bahwa hubungan linier antara tekanan dan temperatur adalah asumsi yang sangat baik.) Untuk mengukur suhu zat, labu gas Gambar 19.3 ditempatkan dalam kontak termal dengan substansi dan tinggi waduk B disesuaikan sampai bagian atas kolom merkuri dalam A adalah nol pada skala. Ketinggian kolom merkuri di B menunjukkan tekanan gas; mengetahui tekanan, suhu zat tersebut ditemukan dengan menggunakan grafik pada Gambar 19.4.

 

Sekarang anggaplah suhu dari gas yang berbeda pada tekanan awal yang berbeda diukur dengan termometer gas. Percobaan menunjukkan bahwa pembacaan termometer hampir independen dari jenis gas yang digunakan selama tekanan gas rendah dan suhu jauh di atas titik di mana gas mencair (Gambar 19.5). Perjanjian antara termometer menggunakan berbagai gas meningkatkan ketika tekanan dikurangi.

Jika kita memperpanjang garis lurus pada Gambar 19.5 terhadap suhu negatif, kita menemukan hasil yang luar biasa: dalam setiap kasus, tekanan adalah nol saat suhu -273.15⁰ C. Temuan ini menunjukkan beberapa peran khusus bahwa temperatur tertentu harus bermain. Hal ini digunakan sebagai dasar untuk skala temperatur absolut, yang menetapkan -273.15⁰C sebagai titik nol. Suhu ini sering disebut sebagaiabsolute zero (nol mutlak). Hal ini diindikasikan sebagai nol karena pada suhu yang lebih rendah, tekanan gas akan menjadi negatif, yang tidak berarti. Ukuran satu derajat pada skala temperatur absolut dipilih untuk menjadi identik dengan ukuran satu derajat pada skala Celcius. Oleh karena itu, konversi antara suhu ini adalah:

T_C = T - 273,15                                                                                                 

dimana T_C adalah suhu dalam skala Celsius dan T adalah suhu absolut.

Karena titik es dan uap eksperimental sulit ditiru dan tergantung pada tekanan atmosfer, skala temperatur absolut didasarkan pada dua poin tetap baru yang diadopsi pada tahun 1954 oleh the International Committee on Weights and Measures (Komite Internasional tentang Berat dan Ukuran). Titik pertama adalah nol mutlak. Kedua temperatur referensi bagi skala ini baru terpilih sebagai triple point dari air, yang merupakan kombinasi tunggal suhu dan tekanan di mana air cairan, air gas, dan es (air zat padat) hidup berdampingan dalam keseimbangan. Ini titik tripel terjadi pada suhu 0.01⁰C dan tekanan 4,58 mm air raksa. Pada skala yang baru, yang menggunakan satuan kelvin, suhu air pada triple point yang ditetapkan sebesar 273,16 kelvin, disingkat 273,16 K. Pilihan ini dibuat agar skala temperatur absolut lama berdasarkan titik beku dan titik uap akan sesuai dengan skala baru berdasarkan tripel point. Skala temperatur absolut baru (juga disebut skala Kelvin) menggunakan satuan SI suhu mutlak, kelvin, yang didefinisikan sebagai 1/273.16 dari perbedaan antara nol mutlak dan suhu tripel point air. 

Gambar 19.6 memberikan suhu mutlak untuk berbagai proses fisik dan struktur. Suhu nol mutlak (0 K) tidak dapat dicapai, meskipun percobaan laboratorium telah datang sangat dekat, mencapai suhu kurang dari satu nanokelvin.

Celcius, Fahrenheit, dan Kelvin Suhu Timbangan

Persamaan 19.1 menunjukkan bahwa suhu Celsius T_C digeser dari temperatur mutlak (Kelvin) T oleh 273,15⁰. Karena ukuran dari satu derajat adalah sama pada kedua skala, perbedaan suhu 5⁰C sama dengan perbedaan suhu 5 K. Kedua skala hanya berbeda dalam pemilihan titik nol. Oleh karena itu, suhu titik beku pada skala Kelvin 273,15 K, sesuai dengan 0.00⁰C, dan titik uap skala Kelvin, 373,15 K, setara dengan 100.00⁰C.

Sebuah skala suhu umum digunakan sehari-hari di Amerika Serikat adalah skala Fahrenheit. Skala ini menetapkan suhu titik beku pada 32⁰F dan suhu titik uap pada 212⁰F. Hubungan skala suhu antara Celcius dan Fahrenheit:

T_F = 9/5 T_C + 32⁰ F                                                                            

Kita dapat menggunakan Persamaan 19.1 dan 19.2 untuk menemukan hubungan antara perubahan suhu pada skala Celcius, Kelvin dan Fahrenheit:

∆T_C = ∆T = 5/9 ∆T_F                                                                        

Dari tiga skala suhu, hanya skala Kelvin didasarkan pada nilai nol sebenarnya dari suhu. Skala Celcius dan Fahrenheit didasarkan pada nol sembarang terkait dengan satu zat tertentu, air, di satu planet tertentu, Bumi. Oleh karena itu, jika anda menemukan persamaan yang membutuhkan suhu T atau yang melibatkan rasio suhu, Anda harus mengkonversi semua temperatur ke kelvin. Jika persamaan berisi perubahan suhu ∆T, menggunakan suhu Celcius akan memberikan jawaban yang benar, dalam keterangan Persamaan 19.3, tetapi selalu aman untuk mengkonversi suhu dengan skala Kelvin (Serway,2010:547-548).

Read More

USAHA DAN KALOR DALAM PROSES TERMODINAMIKA

Dalam termodinamika, kita menggambarkan keadaan sistem yang menggunakan variabel seperti tekanan, volume, suhu, dan energi internal. Akibatnya, besaran ini termasuk kategori yang disebut variabel keadaan. Untuk konfigurasi tertentu dari sistem, kita dapat mengidentifikasi nilai-nilai variabel keadaan. (Untuk sistem mekanis, variabel dasar termasuk energi kinetik K dan energi potensial U.) Keadaan sistem dapat ditentukan hanya jika sistem dalam kesetimbangan termal internal. Dalam kasus gas dalam sebuah wadah, kesetimbangan termal internal yang mengharuskan setiap bagian dari gas berada pada tekanan dan temperatur yang sama.

Sebuah kategori kedua dari variabel-variabel dalam situasi yang melibatkan energi merupakan variabel transfer. Variabel ini adalah mereka yang muncul di sisi kanan dari konservasi persamaan energi, Persamaan 8.2. Variabel tersebut memiliki nilai nol jika suatu proses terjadi di mana energi yang ditransfer melintasi batas sistem. Variabel transfer positif atau negatif, tergantung pada apakah energi memasuki atau meninggalkan sistem. Karena transfer energi di perbatasan merupakan perubahan sistem, variabel transfer tidak terkait dengan keadaan tertentu dari sistem, melainkan dengan perubahan keadaan dari sistem. 

Pada bagian sebelumnya, kita membahas kalor sebagai variabel transfer. Pada bagian ini, kita mempelajari variabel transfer penting lainnya untuk sistem termodinamika, yaitu usaha.Usaha yang dilakukan pada partikel yang dipelajari secara ekstensif dalam Bab 7, dan di sini kita menyelidiki usaha yang dilakukan pada sistem yang dapat berubah bentuk, yaitu gas. Misalkan suatu gas di dalam silinder dilengkapi dengan piston bergerak (Gambar 20.4). Pada kesetimbangan, gas menempati volume V dan memberikan suatu tekanan seragam P pada dinding silinder dan pada piston. Jika piston memiliki luas penampang A, gaya yang diberikan oleh gas pada piston adalah F = PA. Sekarang mari kita asumsikan kita mendorong piston ke dalam dan memampatkan gas secara kuasi-statis, yaitu dengan perlahan cukup untuk memungkinkan sistem untuk tetap sangat utama dalam kesetimbangan termal internal setiap waktu. Ketika piston didorong ke bawah oleh gaya eksternal F = -F _j^{^}  melalui perpindahan dr= dy _j^{^} (Gambar 20.4b), usaha yang dilakukan pada gas, menurut definisi kita tentang usaha dalam Bab 7,

dW = F ∙ dr = -F _j^{^} ∙ dy _j^{^} = -F dy = -PA dy

dimana besarnya F dari gaya eksternal sama dengan PA karena piston selalu dalam keseimbangan antara gaya eksternal dan gaya dari gas. Massa piston diasumsikan diabaikan dalam pembahasan ini. Karena A dy adalah perubahan volume gas dV, kita dapat mengekspresikan usaha yang dilakukan pada gas sebagai

dW = -P dV                                                                     (20.8)

Jika gas dimampatkan, dV bernilai negatif dan usaha yang dilakukan pada gas adalah positif. Jika gas mengembang, dV bernilai positif dan usaha yang dilakukan pada gas adalah negatif. Jika volume tetap konstan, usaha yang dilakukan pada gas adalah nol. Total kerja (usaha) yang dilakukan pada gas karena perubahan volume dari V_i ke V_f diberikan oleh integral dari Persamaan 20.8:

W =                                           (20.9)

Untuk mengevaluasi integral ini, Anda harus tahu bagaimana tekanan berubah terhadap volume selama proses tersebut.

Secara umum, tekanan tidak konstan selama proses diikuti oleh gas, tapi tergantung pada volume dan suhu. Jika tekanan dan volume diketahui pada setiap langkah dari proses, keadaan gas pada setiap langkah dapat diplot pada representasi grafis yang disebut diagram PV seperti pada Gambar 20.5. Jenis diagram ini memungkinkan kita untuk memvisualisasikan sebuah proses di mana gas maju. Kurva pada diagram PV disebut jalur yang ditempuh antara keadaan awal dan akhir.

Perhatikan bahwa integral dalam Persamaan 20.9 adalah sama dengan luas area di bawah kurva pada diagram PV. Oleh karena itu, kita dapat mengidentifikasi penggunaan penting untuk diagram PV:

Kerja (usaha) yang dilakukan pada gas dalam proses kuasi-statis yang mengambil gas dari keadaan awal ke keadaan akhir merupakan negatif dari daerah di bawah kurva pada diagram PV, dievaluasi antara keadaan awal dan akhir.

Untuk proses kompresi gas dalam silinder, kerja yang dilakukan tergantung pada lintasan tertentu yang diambil antara keadaan awal dan akhir seperti pada Gambar 20,5. Menggambarkan hal ini penting, mempertimbangkan beberapa jalur yang berbeda menghubungkan i dan f (Gambar. 20,6). Dalam proses digambarkan dalam Gambar 20.6a, volume gas pertama berkurang dari V_i ke V_f pada tekanan konstan P_i dan tekanan gas kemudian meningkat dari P_i ke P_f dengan pemanasan pada volume konstan V_f. Usaha yang dilakukan pada gas sepanjang jalur ini adalah -P_i(V_f - V_i). Dalam Gambar 20.6b, tekanan gas meningkat dari P_i ke P_f pada volume konstan V_i dan kemudian volume gas berkurang dari V_ike V_f pada tekanan konstan P_f. Usaha yang dilakukan pada gas adalah -P_f(V_f - V_i). Nilai ini lebih besar dari itu untuk proses yang diuraikan dalam Gambar 20.6a karena piston bergerak melalui perpindahan yang sama dengan gaya yang lebih besar. Akhirnya, untuk proses yang dijelaskan dalam Gambar 20.6c, di mana keduanya, P dan V berubah berkelanjutan, kerja yang dilakukan pada gas memiliki beberapa nilai antara nilai yang diperoleh dalam dua proses. Untuk mengevaluasi kerja dalam hal ini, fungsi P(V) harus diketahui sehingga kita dapat mengevaluasi integral dalam Persamaan 20.9.

Transfer energi Q masuk atau keluar dari sistem oleh kalor juga tergantung pada proses. Perhatikan situasi yang digambarkan dalam Gambar 20.7 (halaman 578). Dalam setiap kasus, gas memiliki volume awal, suhu, dan tekanan yang sama, dan dianggap ideal. Pada Gambar 20.7a, gas termal terisolasi dari lingkungannya kecuali di bagian bawah daerah diisi gas, di mana ia berada dalam kontak termal dengan cadangan energi. Reservoir energi merupakan sumber energi yang dianggap begitu besar bahwa transfer terbatas energi ke atau dari reservoir tidak mengubah suhu. Piston diadakan di posisi awalnya oleh agen eksternal seperti tangan. Ketika gaya memegang piston dikurangi sedikit demi sedikit, piston naik sangat perlahan ke posisi akhir yang ditunjukkan pada Gambar 20.7b. Karena piston bergerak ke atas, gas melakukan usaha pada piston. Selama ekspansi ini dengan volume akhir V_f, hanya cukup energi ditransfer oleh panas dari reservoir ke gas untuk mempertahankan suhu konstan T_i.

Sekarang perhatikan sistem termal yang terisolasi penuh yang ditunjukkan pada Gambar 20.7c. Ketika membran rusak, gas mengembang dengan cepat ke dalam vakum sampai menempati volume V_f dan berada pada tekanan P_f. Keadaan akhir dari gas ditunjukkan pada Gambar 20.7d. Dalam kasus ini, gas tidak melakukan kerja karena tidak menerapkan gaya, tidak ada gaya yang diperlukan untuk memperluas ke ruang hampa. Selanjutnya, tidak ada energi yang ditransfer oleh kalor melalui dinding isolasi. 

Seperti yang kita bahas dalam Bagian 20.5, percobaan menunjukkan bahwa suhu gas ideal tidak berubah dalam proses yang ditunjukkan pada Gambar 20.7c dan 20.7d. Oleh karena itu, keadaan awal dan akhir dari gas ideal pada Gambar 20.7a dan 20.7b yang identik dengan keadaan awal dan akhir dalam Gambar 20.7c dan 20.7d, tetapi jalur yang berbeda. Dalam kasus pertama, gas tidak bekerja pada piston dan energi ditransfer perlahan ke gas oleh kalor. Dalam kasus kedua, tidak ada energi yang ditransfer oleh kalor dan nilai kerja yang dilakukan adalah nol. Oleh karena itu, transfer energi dengan kalor, seperti usaha yang dilakukan, tergantung pada keadaan awal, akhir, dan keadaan menengah sistem. Dengan kata lain, karena kalor dan kerja bergantung pada jalur, kuantitas tidak ditentukan semata-mata oleh titik akhir dari proses termodinamika (Serway, 2010:576-578).

Read More

Kalor Laten

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 m_i. Sekarang bayangkan bahwa energi Q memasuki sistem. Akibatnya, jumlah akhir air m_f karena mencairnya sebagian es. Oleh karena itu, jumlah es yang mencair, sama dengan jumlah air yang baru, adalah ∆m = m_f - m_i. 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 m_f - 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 L_f adalah istilah yang digunakan ketika perubahan fase dari padat menjadi cair (untuk memadukan cara "menggabungkan dengan peleburan"), dan kalor laten penguapan L_v 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 = m_ic_i ∆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 = L_f ∆m_w = L_fm_i = (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 = m_wc_w ∆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 = L_v ∆m_s = L_vm_w = (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 = m_sc_s ∆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).

Read More