PERUBAHAN FASE

Apa itu perubahan fase???

Sebelum ke perubahan fase, kita harus mengetahui apa itu fase?

FASE

Fase, dari bahasa Belanda, yang awalnya dari bahasa Yunani, phasisi, bisa berarti:

1.   tahap, tingkatan, masa

2.   Semua perubahan yang terjadi berturut-turut daripada sebuah proses

3.   wujud atau rupa sebuah benda. Misalkan air dalam keadaan beku disebut es. Keadaan.

Fase adalah besaran zat yang mempunyai struktur fisika dan komposisi kimia yang seragam. Struktur fisika dikatakan seragam apabila zat terdiri dari gas saja, cair saja, atau padat saja. Sistem dapat terdiri dari dua fase seperti cair dan gas. Komposisi kimia dikatakan seragam apabila suatu zat hanya terdiri dari satu bahan kimia yang dapat beebentuk padat, cari atau gas, atau campuran dari dua atau tiga bentuk itu. Campuran gas seperti udara atmosfer dianggapsenyawa tunggal.

Zat murni mempunyai komposisi kimia yang seragam dan tidak berubah. Zat murni dapat berada dalam beberapa fase yaitu:

1. Fase padat biasanya dikenal dengan es

2. Fase cair

3. Fase uap

4. Campuran kesetimbangan fase cair dan uap

5. Campuran kesetimbangan fase padat dan cair

6. Campuran kesetimbangan fase padat dan uap

Zat murni kebanyakan mengandung lebih dari satu fase, tetapi komposisi kimianya sama untuk semua fase. Cairan air, campuran dari cairan air dan uap air, atau campuran es dan cairan air adalah zat murni karena setaip fase mempunyai komposisi kimia sama yaitu H₂O. Namun, campuran udara cair dan udara gas bukan merupakan zat murni karena komposisi fase udara cair berbeda dengan fase udara uap.

Kadang-kadang campuran gas seperti udara dianggap sebagai zat murni sepanjang tidak ada perubahan fase karena udara mempunyai beberapa karakteristik zat murni.

PERUBAHAN FASE

1. KEADAAN CAIR

Jika cairan berada pada suhu lebih rendah daripada suhu jenuh disebut cairan subdingin (subcooled) dan disebut cairan tekan (liquid compressed) bila tekanannya lebih tinggi dari tekanan jenuh.

2. CAMPURAN DUA FASE CAIR-UAP

Selama proses penguapan berlangsung suhunya konstan karena kalor yang diserap digunakan untuk berubah fase. Pada suhu jenuh ini sebagian zat berupa cairan dan sebagian berupa uap dan didefinisikan suatu besaran yang disebut kualitas. Kualitas didefinisikan hanya zat bila berada pada keadaan jenuh yaitu pada suhu dan tekanan jenuh. Suhu akan bertambah setelah tetesan terakhir cairan air menguap. Kualitas merupakan sifat intensif.

3. KEADAAN UAP

Setelah semua massa cairan berubah menjadi uap, suu akan naik lagi dan volume jenis uap ikut bertambah pula. Uap yang berada pada suhu dia atas suhu jenuh dikatakan sebagai uap panas lanjut atau sering disebut gas. Tekanan dan suhu uap panas lanjut adalah sifat paling bebas, karena pada keadaan ini suhu terus meningkat akan tetapi tekanan tetap konstan.

4. PERUBAHAN DARI FASE PADAT

Meskipun perubahan fase cair menjadi uap menjadi perhatian utama dalam termodinamika. Namun tidak ada salahnya kita membahas perubahan fase dari fase padat.

Perubahan dari fase padat ke fase cair

Keadaan padat. Mula-mula silinder yang dilengkapi dengan piston diisi dengan es 1 kg pada suhu -20^oC dengan tekanan 0,1 MPa 3-2(a). Es dipilih sebagai sistem. Es dipanaskan secara perlahan pada tekanan tetap dan seragam, volume jenis dan suhu es bertambah secara teratur, selama es belum mencair seluruhnya suhu akan bertambah terus. Ketika suhunya mencapai 0^oC, es mulai menjadi jenuh sehingga terjadi perubahan fase dari fase padat ke fase cair.

Campuran fase padat dan fase cair. Setelah es mulai melebur tampak bahwa tidak ada kenikan suhu sekalipun terus menerus dipanaskan karena kalor yang diserap digunakan untuk melakukan perubahan fase. Pada keadaan ini sebagian es berubah menjadi cairan air, ditunjukkan gambar 3-2(b). Es pada keadaan ini disebut padatan jenuh. Es akan mancair sampai pada butiran es yang terakhir melalui proses isothermal-isobarik. Suhu akan naik lagi setelah seluruh massa mencair. Untuk kebanyakan zat, volume jenisnya meningkat selama proses peleburan akan tetapi untuk air volume jenis cairan lebih kecil dibandingkan dalam bentuk padatan.

Perubahan dari fase padat fase ke fase uap

Es pada suhu -20^oC dan tekanan 0,26 kPa dipanaskan secara perlahan pada tekanan konstan. Pada saat suhu mencapai -10^oC, es langsung berubah dari fase padat menjadi uap. Peristiwa berubahnya fase padat menjadi fase uap disebut menyublim. Pemanasan lebih lanjut akan menghasilkan uap panas lanjut.

Kesetimbangan tiga fase

Apabila es mula-mula bersuhu -20^oC dan tekanan 4,58 mmHg dipanaskan, saat suhunya mencapai 0,01^oC sebagian es berubah menjadi uap dan sebagian berubah menjadi cairan air. Pada titik ini akan terjadi keksetimbnagna tiga fase yang disebut titik tripel. Data titik tripel berbagai macam zat terpilih diberikan pada tabel 3-2.

Apa yang terjadi pada perubahan fase sehingga temperatur tidak bertambah seiring bertambahnya panas?

Prinsip dasar yang melatar belakangi perubahan fase ini adalah penyerapan panas oleh zat. 

Di termodinamika, kita diajarkan definisi panas. Panas adalah energi yang mengalir dari sistem ke lingkungan, atau sebaliknya.

Sistem adalah sesuatu yang menjadi objek utama pengamatan kita, sedangkan lingkungan adalah segala sesuatu di luar sistem.

Sebuah sistem yang tersusun dari molekul-molekul umum disebut zat (Eng.: substance), atau disebut juga sebagai materi (Eng.: material). Orang kimia lebih sering menggunakan istilah zat, sedangkan orang fisika lebih sering menggunakan istilah materi. Dalam artikel ini saya menggunakan kata “zat” supaya konsisten dengan dua artikel sebelumnya.

Misalnya air, terdiri dari sejumlah molekul H₂O. Udara terdiri dari sejumlah molekul H₂O, molekul O₂, molekul N₂ dan banyak lagi.

Molekul-molekul ini terdiri dari  atom-atom yang disusun oleh inti atom (bermuatan positif) dan elektron (bermuatan negatif). Konfigurasi muatan-muatan ini sedemikian rupa sehingga ketika dua buah molekul berdekatan mereka akan saling tolak-menolak, sedangkan saat mereka berjauhan mereka akan saling tarik-menarik. Inilah dasar teori atom.

Ini seperti dua buah benda yang terikat pada masing-masing ujung sebuah pegas seperti gambar berikut ini.

Dua massa terikat pada masing-masing ujung pegas mengalami tarik-menarik (atas) dan tolak-menolak (bawah).

Gaya tarik-menarik dan tolak-menolak ini nilainya berbeda saat zat berwujud padat, cair, dan gas.

Gaya tarik-menarik dan tolak-menolak yang dialami oleh molekul-molekul ini menyebabkan mereka bergetar(vibrasi). Getaran molekul-molekul ini terjadi dalam keadaan setimbang (ekuilibrium) sehingga jarak rerata antarmolekul terjaga.

Ketika zat mengalami pertambahan panas, panas ini menambah kegesitan molekul-molekul tersebut. Dalam bahasa fisika dinyatakan sebagai “panas tersebut menambah energi kinetik molekul-molekul tersebut”. Jumlah energi kinetik rerata molekul-molekul penyuzun zat ini dapat diamati secara makroskopik oleh besaran yang kita kenal dengan temperatur.

Artinya, temperatur sebuah zat adalah gejala makroskopik dari energi kinetik molekul-molekul penyusun zat tersebut.

Hubungan antara temperatur, T, dan energi kinetik rerata (K) diberikan oleh 

dengan k adalah konstanta Boltzmann.

Mari kita mulai dari zat padat, misalnya es (air yang berupa es, temperaturnya di bawah 0° C). Jarak antarmolekul H₂O rapat, sehingga amplitudo getaran antar-H₂O kecil.

Pertambahan panas akan membuat H₂O menjadi lebih gesit sehingga amplitudo getaran yang mereka alami pun makin bertambah besar. Akibatnya, jarak rerata antarmolekul makin bertambah besar.

Jika panas terus bertambah, molekul-molekul H₂O semakin gesit, jarak rerata antar-H₂O semakin besar, maka gaya tarik-menarik pun makin melemah. Selama proses ini, temperatur es terus bertambah seiring bertambahnya panas.

Pada satu titik, saat panas terus bertambah, gaya tarik-menarik antar-H₂O tidak cukup lagi untuk menarik molekul-molekul H₂O tersebut sehingga mereka lepas.

Jika ini terjadi, maka disebut es telah mencapai titik cairnya (Eng.: melting point).

Selama proses ini, energi panas  digunakan untuk menyempurnakan pelepasan molekul-molekul H₂O dari gaya tarik-menariknya saat mereka berada dalam keadaan padat. Oleh sebab itu, meskipun panas bertambah, temperatur zat tidak bertambah.

Inilah yang disebut perubahan fase zat dari padat ke cair.

Prinsip yang sama berlaku untuk perubahan fase zat dari cair ke gas

DAFTAR PUSTAKA

-   Khuriati, Ainie. 2007. Termodinamika. Yogyakarta:Graha Ilmu.

- http://diary.febdian.net/2014/11/20/proses-perubahan-fase-zat/  ( Di Akses Senin, 9 Maret 2015, 21:19 )

- http://id.wikipedia.org/wiki/Fase   ( Di Akses Senin, 9 Maret 2015, Jam 21:31 )