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).

Gambaran Makroskopik dari Gas Ideal

Persamaan ekspansi volume ∆V = βV_i ∆T didasarkan pada asumsi bahwa materi memiliki volume awal V_i sebelum perubahan suhu terjadi. Seperti halnya untuk padatan dan cairan karena mereka memiliki volume tetap pada temperatur tertentu. Kasus untuk gas benar-benar berbeda. Gaya interatomik dalam gas sangat lemah, dan dalam banyak kasus, kita dapat membayangkan gaya ini menjadi tidak ada dan masih membuat perkiraan yang sangat baik. Oleh karena itu, tidak ada pemisahan kesetimbangan untuk atom dan tidak ada "standar" volume pada temperatur tertentu, volume tergantung pada ukuran wadah. Sebagai hasilnya, kita tidak bisa mengungkapkan perubahan volume ∆V dalam proses pada gas dengan Persamaan 19.6 karena kita tidak mendefinisikan Volume V_i pada awal proses. Persamaan yang melibatkan gas yang mengandung volume V, bukan perubahan dalam volume dari sebuah nilai awal, sebagai sebuah variabel.

Untuk gas, hal ini berguna untuk mengetahui bagaimana besaran volume V, tekanan P, dan temperatur T terkait untuk sebuah sampel gas dengan massa m. Secara umum, persamaan yang menghubungkan besaran ini, yang disebut persamaan keadaan, sangat rumit. Jika gas dipertahankan pada tekanan yang sangat rendah (atau kepadatan rendah), namun, persamaan keadaan ini cukup sederhana dan dapat ditentukan dari hasil eksperimen. Gas densitas rendah tersebut sering disebut sebagai gas ideal. Kita dapat menggunakan model gas ideal untuk membuat prediksi yang cukup untuk menggambarkan perilaku gas nyata pada tekanan rendah.

Lebih mudah untuk mengekspresikan jumlah gas dalam volume tertentu dalam hal jumlah mol n. Satu mol zat apapun merupakan jumlah zat yang mengandung bilangan Avogadro N_A = 6,022 x 10²³ dari partikel penyusunnya (atom atau molekul). Jumlah mol n suatu zat berhubungan dengan massa m melalui hubungan:

n =m/M                                                                                             (19.7)

di mana M adalah massa molar zat. Massa molar masing-masing unsur kimia adalah massa atom (dari tabel periodik) yang dinyatakan dalam gram per mol. Misalnya, massa satu atom He adalah 4,00 u (satuan massa atom), sehingga massa molar dari He adalah 4,00 g/mol.

Sekarang anggaplah gas ideal terbatas pada wadah silinder yang volumenya dapat divariasikan dengan cara piston bergerak seperti pada Gambar 19.12. Jika kita asumsikan silinder tidak bocor, massa (atau jumlah mol) gas tetap konstan. Untuk sistem seperti itu, eksperimen memberikan informasi berikut:
• Bila gas disimpan pada suhu konstan, tekanannya berbanding terbalik dengan volume. (Perilaku ini digambarkan secara historis sebagai Hukum Boyle.)
• Bila tekanan gas dijaga konstan, volume berbanding lurus dengan suhu. (Perilaku ini digambarkan secara historis sebagai Hukum Charles.)
• Bila volume gas dipertahankan konstan, tekanan berbanding lurus dengan suhu. (Perilaku ini digambarkan secara historis sebagai Hukum Gay-Lussac.)

Observasi ini dirangkum oleh persamaan keadaan untuk gas ideal:

PV = nRT                                                                                            (19.8)

Dalam ungkapan ini, juga dikenal sebagai hukum gas ideal, n adalah jumlah mol gas dalam sampel dan R adalah konstanta. Percobaan pada berbagai gas menunjukkan bahwa ketika tekanan mendekati nol, besaran PV/nT mendekati nilai yang sama R untuk semua gas. Untuk alasan ini, R disebut konstanta gas umum. Dalam satuan SI, di mana tekanan dinyatakan dalam pascal (1 Pa = 1 N/m²) dan volume dalam meter kubik, produk PV memiliki satuan newton∙meter, atau joule, dan R memiliki nilai
R = 8,314 J/mol∙K                                                                           (19.9)

Jika tekanan dinyatakan dalam atmosfer dan volume dalam liter (1 L = 10³ cm³ = 10^-3 m³), maka R memiliki nilai R = 0,08206 L∙atm/mol∙K.

Menggunakan nilai R dan Persamaan 19.8 menunjukkan bahwa volume yang ditempati oleh 1 mol setiap gas pada tekanan atmosfer dan pada 0⁰C (273 K) adalah 22,4 L.

Hukum gas ideal menyatakan bahwa jika volume dan suhu dari jumlah gas tidak berubah, tekanan juga tetap konstan. Pertimbangkan sebotol sampanye yang terguncang dan kemudian memuntahkan cairan ketika dibuka seperti yang ditunjukkan pada Gambar 19.13. Kesalahpahaman yang umum adalah bahwa tekanan di dalam botol meningkat ketika botol terguncang. Sebaliknya, karena suhu botol dan isinya tetap konstan selama botol disegel, begitu pula tekanannya, seperti yang dapat ditampilkan dengan mengganti gabus dengan pengukur tekanan. Penjelasan yang benar adalah sebagai berikut. Gas karbon dioksida berada dalam volume antara permukaan cairan dan gabus. Tekanan gas dalam volume ini diatur lebih tinggi dari tekanan atmosfer dalam proses pembotolan. Sambil botol menggantikan beberapa gas karbon dioksida ke dalam cairan, di mana ia membentuk gelembung, dan gelembung ini menjadi melekat pada bagian dalam botol. (bukan gas baru yang dihasilkan ketika diguncang.) Ketika botol dibuka, tekanan berkurang dibandingkan dengan tekanan atmosfer, yang menyebabkan volume gelembung meningkat tiba-tiba. Jika gelembung yang melekat pada botol (di bawah permukaan cairan) mengalami ekspansi dengan cepat, mereka menggeser cairan dari botol. Jika sisi-sisi dan bagian bawah botol yang pertama ditepuk sampai tidak ada gelembung yang tetap di bawah permukaan, namun, penurunan tekanan tidak memaksa cairan dari botol sampanye saat dibuka.

Hukum gas ideal sering dinyatakan dalam bentuk jumlah total molekul N. Karena jumlah mol n sama dengan rasio jumlah molekul dan bilangan Avogadro N_A, kita dapat menulis Persamaan 19.8 sebagai:

PV = nRT = (N/N_A) RT

 
PV = Nk_BT                                                                                       (19.10)

dimana k_B adalah konstanta Boltzmann, yang memiliki nilai:

k_B = R/N_A = 1,38 x 10^-23 J/K                                                           (19.11)

Hal ini biasa untuk menyebut besaran seperti P, V, dan T sebagai variabel termodinamika gas ideal. Jika persamaan keadaan diketahui, salah satu variabel selalu dapat dinyatakan sebagai suatu fungsi dari dua lainnya (Serway,2010:554-555).

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 19.7 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).

Termometer Gas Volume Konstan 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 sebagai absolute 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                                                                                                   (19.1)

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                                                                            (19.2)

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                                                                           (19.3)

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).

Suhu dan Hukum Ke Nol Termodinamika

Kita sering mengasosiasikan konsep suhu dengan seberapa panas atau dingin suatu benda terasa ketika kita menyentuhnya. Dengan cara ini, indra kita memberikan kita dengan indikasi kualitatif suhu. Indera kita, bagaimanapun, tidak dapat diandalkan dan sering menyesatkan kita. Misalnya, jika Anda berdiri dengan kaki telanjang dengan satu kaki di karpet dan lainnya di lantai ubin yang berdekatan, ubin terasa lebih dingin daripada karpet meskipun keduanya berada pada suhu yang sama. Kedua benda terasa berbeda karena ubin mentransfer energi dengan panas pada tingkatan yang lebih tinggi daripada karpet. Kulit Anda "mengukur" laju perpindahan energi panas daripada suhu aktual. Apa yang kita butuhkan adalah metode yang dapat diandalkan dan diperoleh untuk mengukur panas relatif atau dinginnya benda daripada laju transfer energi. Para ilmuwan telah mengembangkan berbagai termometer untuk membuat pengukuran kuantitatif tersebut.

Dua objek pada suhu awal yang berbeda akhirnya mencapai beberapa temperatur perantara ketika ditempatkan dalam kontak dengan satu sama lain. Misalnya, ketika air panas dan air dingin dicampur dalam bak mandi, energi ditransfer dari air panas ke air dingin dan suhu akhir campuran adalah suatu tempat antara suhu panas awal dan dingin.

Bayangkan bahwa dua benda ditempatkan dalam wadah terisolasi sehingga mereka berinteraksi satu sama lain tetapi tidak dengan lingkungan. Jika benda berada pada temperatur yang berbeda, energi yang ditransfer antara mereka, bahkan jika mereka awalnya tidak dalam kontak fisik dengan satu sama lain. Mekanisme transfer energi dari Bab 8 bahwa kita akan fokus pada panas dan radiasi elektromagnetik. Untuk tujuan diskusi ini, mari kita asumsikan dua benda berada dalam kontak termal dengan satu sama lain jika energi dapat dipertukarkan antara mereka dengan proses-proses karena perbedaan suhu. Kesetimbangan termal adalah situasi di mana dua benda tidak akan bertukar energi dengan panas atau radiasi elektromagnetik jika mereka ditempatkan dalam kontak termal. 

Mari kita mempertimbangkan dua benda A dan B, yang tidak dalam kontak termal, dan objek ketiga C, yaitu termometer kita. Kita ingin menentukan apakah A dan B berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain. Termometer (objek C) pertama kali ditempatkan dalam kontak termal dengan objek A sampai kesetimbangan termal adalah dicapai seperti yang ditunjukkan pada Gambar 19.1a. Sejak saat itu, pembacaan termometer tetap konstan dan kita mencatat hasil bacaan ini. Termometer tersebut kemudian dihilangkan dari objek A dan ditempatkan dalam kontak termal dengan objek B seperti yang ditunjukkan pada Gambar 19.1b. Bacaan tersebut kembali dicatat setelah keseimbangan termal tercapai. Jika dua bacaan yang sama, kita dapat menyimpulkan bahwa objek A dan benda B berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain. Jika mereka ditempatkan dalam kontak dengan satu sama lain seperti pada Gambar 19.1c, tidak ada pertukaran energi antara mereka.

Kita dapat meringkas hasil ini dalam sebuah pernyataan yang dikenal sebagai Hukum ke nol termodinamika (hukum keseimbangan): Jika benda A dan B terpisah dalam kesetimbangan termal dengan benda C ketiga, maka A dan B berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain.

Pernyataan ini dapat dengan mudah dibuktikan secara eksperimental dan sangat penting karena memungkinkan kita untuk menentukan suhu. Kita bisa memikirkan temperatur sebagai properti yang menentukan apakah sebuah benda dalam kesetimbangan termal dengan obyek lain. Dua benda dalam kesetimbangan termal dengan satu sama lain pada temperatur yang sama. Sebaliknya, jika dua benda memiliki temperatur yang berbeda, mereka tidak dalam kesetimbangan termal satu sama lain. Kita sekarang tahu bahwa suhu adalah sesuatu yang menentukan apakah atau tidak akan mentransfer energi antara dua benda dalam kontak termal. Dalam Bab 21, kita akan menghubungkan suhu ke perilaku mekanik molekul (Serway,2010: 543-546).

Entropi dan Hukum Kedua Termodinamika

Pengalaman sehari-hari menunjukkan bahwa sebuah kolam tidak membeku di musim panas. Jika sebuah benda panas berinteraksi dengan benda dingin, maka tak terjadi bahwa benda panas tersebut semakin panas dan benda dingin semakin dingin, meskipun proses-proses tersebut tidaklah melanggar hukum kekekalan energi yang dinyatakan sebagai hukum pertama termodinamika. 

Hukum kedua termodinamika berkaitan dengan apakah proses-proses yang dianggap taat azas dengan hukum pertama, terjadi atau tidak terjadi di alam. Hukum kedua termodinamika seperti yang diungkapkan oleh Clausius mengatakan, “Untuk suatu mesin siklis maka tidak mungkin untuk menghasilkan efek lain, selain dari menyampaikan kalor secara kontinu dari sebuah benda ke benda lain pada temperatur yang lebih tinggi".
Bila ditinjau siklus Carnot, yakni siklus hipotesis yang terdiri dari empat proses terbalikkan: pemuaian isotermal dengan penambahan kalor, pemuaian adiabatik, pemampatan isotermal dengan pelepasan kalor dan pemampatan adiabatik; jika integral sebuah kuantitas mengitari setiap lintasan tertutup adalah nol, maka kuantitas tersebut yakni variabel keadaan, mempunyai sebuah nilai yang hanya merupakan ciri dari keadaan sistem tersebut, tak peduli bagaimana keadaan tersebut dicapai. Variabel keadaan dalam hal ini adalah entropi. Perubahan entropi hanya gayut keadaan awal dan keadaan akhir dan tak gayut proses yang menghubungkan keadaan awal dan keadaan akhir sistem tersebut.
Hukum kedua termodinamika dalam konsep entropi mengatakan, "Sebuah proses alami yang bermula di dalam satu keadaan kesetimbangan dan berakhir di dalam satu keadaan kesetimbangan lain akan bergerak di dalam arah yang menyebabkan entropi dari sistem dan lingkungannya semakin besar".
Jika entropi diasosiasikan dengan kekacauan maka pernyataan hukum kedua termodinamika di dalam proses-proses alami cenderung bertambah ekivalen dengan menyatakan, kekacauan dari sistem dan lingkungan cenderung semakin besar.
Di dalam ekspansi bebas, molekul-molekul gas yang menempati keseluruhan ruang kotak adalah lebih kacau dibandingkan bila molekul-molekul gas tersebut menempati setengah ruang kotak. Jika dua benda yang memiliki temperatur berbeda T₁ dan T₂ berinteraksi, sehingga mencapai temperatur yang serba sama T, maka dapat dikatakan bahwa sistem tersebut menjadi lebih kacau, dalam arti, pernyataan "semua molekul dalam sistem tersebut bersesuaian dengan temperatur T adalah lebih lemah bila dibandingkan dengan pernyataan semua molekul di dalam benda A bersesuaian dengan temperatur T₁ dan benda B bersesuaian dengan temperatur T₂".
Di dalam mekanika statistik, hubungan antara entropi dan parameter kekacauan adalah, pers. (1):
S = k log w
dimana k adalah konstanta Boltzmann, S adalah entropi sistem, w adalah parameter kekacauan, yakni kemungkinan beradanya sistem tersebut relatif terhadap semua keadaan yang mungkin ditempati.
Jika ditinjau perubahan entropi suatu gas ideal di dalam ekspansi isotermal, dimana banyaknya molekul dan temperatur tak berubah sedangkan volumenya semakin besar, maka kemungkinan sebuah molekul dapat ditemukan dalam suatu daerah bervolume V adalah sebanding dengan V; yakni semakin besar V maka semakin besar pula peluang untuk menemukan molekul tersebut di dalam V. Kemungkinan untuk menemukan sebuah molekul tunggal di dalam V adalah, pers. (2):
W₁ = c V
dimana c adalah konstanta. Kemungkinan menemukan N molekul secara serempak di dalam volume V adalah hasil kali lipat N dari w. Yakni, kemungkinan dari sebuah keadaan yang terdiri dari N molekul berada di dalam volume V adalah, pers.(3):
w = w₁^N = (cV)^N.
Jika persamaan (3) disubstitusikan ke (1), maka perbedaan entropi gas ideal dalam proses ekspansi isotermal dimana temperatur dan banyaknya molekul tak berubah, adalah bernilai positip. Ini berarti entropi gas ideal dalam proses ekspansi isotermal tersebut bertambah besar.
Definisi statistik mengenai entropi, yakni persamaan (1), menghubungkan gambaran termodinamika dan gambaran mekanika statistik yang memungkinkan untuk meletakkan hukum kedua termodinamika pada landasan statistik. Arah dimana proses alami akan terjadi menuju entropi yang lebih tinggi ditentukan oleh hukum kemungkinan, yakni menuju sebuah keadaan yang lebih mungkin. Dalam hal ini, keadaan kesetimbangan adalah keadaan dimana entropi maksimum secara termodinamika dan keadaan yang paling mungkin secara statistik. Akan tetapi fluktuasi, misal gerak Brown, dapat terjadi di sekitar distribusi kesetimbangan. Dari sudut pandang ini, tidaklah mutlak bahwa entropi akan semakin besar di dalam tiap-tiap proses spontan. Entropi kadang-kadang dapat berkurang. Jika cukup lama ditunggu, keadaan yang paling tidak mungkin sekali pun dapat terjadi: air di dalam kolam tiba-tiba membeku pada suatu hari musim panas yang panas atau suatu vakum setempat terjadi secara tiba-tiba dalam suatu ruangan. Hukum kedua termodinamika memperlihatkan arah peristiwa-peristiwa yang paling mungkin, bukan hanya peristiwa-peristiwa yang mungkin.
Diambil dari Halliday-Resnick, Fisika, alih bahasa Silaban-Sucipto, Erlangga, Jakarta, 1990.