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                                                                  (20.7)

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 0,0 ⁰C. Persamaan 20.4 menunjukkan bahwa suhu berubah secara linear dengan energi yang ditambahkan, sehingga hasil eksperimen adalah garis lurus pada grafik. Karena kalor 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).