Teori Kinetik
Proses penguapan bisa dijelaskan menggunakan teori kinetik. Seperti molekul‐molekul gas, molekul‐molekul air juga bergerak. Bedanya, molekul‐molekul air tidak bisa tercerai berai karena gaya tarik antara molekul masih mampu menahan mereka untuk tetap menyatu. Sebaliknya, gaya tarik antara molekul‐molekul gas sangat lemah, sehingga molekul‐molekul gas tidak bisa menyatu. Ketika bergerak, molekul‐molekul air mempunyai kelajuan. Terdapat molekul air yang mempunyai kelajuan besar, terdapat juga molekul air yang mempunyai kelajuan yang kecil. Distribusi kelajuan molekul air menyerupai distribusi Maxwell.
Penguapan terjadi ketika kelajuan molekul air cukup besar, sehingga gaya tarik antara molekul‐molekul air tidak mampu menahannya untuk menyatu. Mirip seperti roket yang bergerak ke luar angkasa, kelajuan roket cukup besar agar gaya gravitasi bumi tidak mampu menahannya untuk tinggal di bumi. Perlu diketahui bahwa hanya molekul‐molekul yang mempunyai kelajuan besar saja yang mampu melepaskan diri dari gaya tarik antara molekul. Molekul‐molekul yang kelajuannya kecil tetap menyatu membentuk air.
Molekul‐molekul air mempunyai massa dan kecepatan atau kelajuan sehingga molekul‐molekul air mempunyai energi kinetik (EK = 1/2 m v2). Molekul air yang mempunyai kelajuan tinggi memiliki energi kinetik lebih besar dibandingkan dengan molekul air yang mempunyai kelajuan rendah. Dengan demikian, dapat dikatakan molekul‐molekul air yang bisa melepaskan diri dari gaya tarik antara molekul (molekul‐molekul air yang berubah menjadi uap) memiliki energi kinetik yang cukup besar. Biasanya energi kinetik molekul air semakin bertambah seiring meningkatnya suhu air. Apabila suhu air cukup tinggi, maka energi kinetik molekul‐molekul air semakin bertambah. Dengan demikian, akan semakin banyak air yang berubah menjadi uap. Hal ini sesuai dengan hasil penelitian yang menunjukkan bahwa laju penguapan biasanya lebih besar pada suhu yang tinggi.
Ketika kita menjemur pakaian basah di bawah sinar matahari, pakaian basah tersebut menyerap kalor yang dipancarkan oleh matahari. Adanya tambahan energi dari matahari menyebabkan energi kinetik molekul‐molekul air pada pakaian bertambah. Karena energi kinetik bertambah maka molekul‐molekul air bergerak semakin cepat (kelajuan molekul air meningkat). Setelah kelajuan atau energi kinetiknya mencapai nilai tertentu, molekul‐molekul air tersebut bisa melepaskan diri dari gaya tarik antara molekul air, lalu berubah menjadi uap. Perlu diketahui bahwa mengeringnya pakaian basah tidak hanya dipengaruhi oleh adanya tambahan kalor dari matahari. Pakaian basah juga bisa mengering karena adanya tambahan kalor dari udara hangat yang berada di sekitar pakaian tersebut (kalor berpindah secara konduksi dari udara menuju pakaian basah).
Pada siang hari yang terik, tanah atau lantai lebih cepat panas. Tanah cepat panas karena kalor jenisnya cukup besar. Tanah memanaskan udara yang berada di atasnya (dalam hal ini terjadi perpindahan kalor secara konduksi). Udara yang panas memuai (massa jenisnya berkurang) dan bergerak ke atas. Ketika melewati pakaian basah, molekul‐molekul udara menumbuk molekul‐molekul air yang berada di dalam pakaian. Molekul‐molekul air bergerak semakin cepat. Karena bergerak semakin cepat, maka energi kinetik molekul‐molekul air tersebut semakin bertambah. Molekul‐molekul air yang bergerak cepat menumbuk molekul air yang lain. Karena ditumbuk terus menerus oleh molekul udara, maka molekul‐molekul air bergerak semakin cepat (energi kinetiknya bertambah).
Setelah kecepatan atau energi kinetiknya mencapai nilai tertentu, molekul‐molekul air yang bergerak cepat tadi bisa melepaskan diri dari gaya tarik antara molekul dan berubah menjadi uap… Energi kinetik molekul air atau molekul udara berkaitan erat dengan suhu. Jika energi kinetik molekul‐molekul air besar maka pada saat yang sama suhu air tinggi. Atau sebaliknya, ketika suhu air tinggi, energi kinetik molekul‐molekul air pasti besar. Energi kinetik juga berkaitan dengan kelajuan. Semakin besar energi kinetik molekul, semakin besar kelajuan molekul. Atau sebaliknya semakin besar kelajuan molekul, semakin besar energi kinetik molekul tersebut.
Bagaimana dengan air panas ? air panas memiliki suhu yang tinggi. Karena suhu air tinggi, maka molekul‐molekul air yang di dalam air mempunyai energi kinetik rata‐rata yang besar. Karena energi kinetik rata‐rata molekul‐molekul air besar, maka banyak molekul‐molekul air yang mempunyai kelajuan yang tinggi (banyak molekul air yang bergerak cepat). Molekul‐molekul air yang mempunyai kelajuan tinggi bisa melepaskan diri dari gaya tarik antar molekul dan berubah menjadi uap. Yang kabur menjadi uap hanya molekul‐molekul air yang kelajuannya tinggi (molekul‐molekul air yang energi kinetiknya besar), sedangkan molekul‐molekul air yang kelajuannya rendah (molekul‐molekul air yang energi kinetiknya kecil) tidak berubah menjadi uap. Dengan demikian, ketika molekul‐molekul air yang kelajuannya tinggi berubah menjadi uap, energi kinetik rata‐rata molekul‐molekul air yang tetap menyatu menjadi lebih kecil. Semakin kecil energi kinetik rata‐rata, semakin rendah suhu air (air menjadi dingin). Berdasarkan uraian singkat ini, dapat dikatakan bahwa penguapan merupakan proses pendinginan.
Proses pendinginan akibat adanya penguapan selalu dialami dalam kehidupan sehari‐hari. Pada saat udara cukup panas, banyak kalor yang diserap oleh tubuh. Untuk menjaga agar suhu tubuh selalu konstan, biasanya tubuh mengeluarkan kalor melalui keringat. Karena keringat mendapat tambahan kalor dari matahari dan udara yang berada di sekitarnya maka energi kinetik molekul air keringat bertambah. Karena energi kinetik molekul air keringat bertambah maka kelajuan molekul‐molekul air keringat meningkat. molekul‐molekul keringat berubah menjadi uap. Ketika keringat menguap, tubuh terasa sejuk. Masih ada contoh lain… Biasanya setelah mandi, tubuh kita terasa sejuk. Hal ini dikarenakan air yang menempel pada permukaan kulit mengalami proses penguapan.
Proses penguapan yang telah dijelaskan sebelumnya selalu terjadi setiap hari. Air laut, air danau, air sungai juga bisa menguap…
Tekanan Uap
Yang dimaksudkan dengan uap di sini adalah uap air. Amati gambar. Sebuah wadah tertutup berisi air (anggap saja udara yang ada di dalam wadah sudah dikeluarkan). Menurut teori kinetik, molekul‐molekul air selalu bergerak. Ketika bergerak, molekul‐molekul air mempunyai kelajuan dan energi kinetik. Molekul‐molekul air yang mempunyai kelajuan dan energi kinetik cukup besar bisa melepaskan diri dari gaya tarik antara molekul air dan berubah menjadi uap… Proses yang sama terjadi pada molekul‐molekul air yang ada dalam wadah di samping. Seiring bertambahnya waktu, semakin banyak molekul‐molekul air yang berubah menjadi uap. Karena wadah tertutup, maka molekul‐molekul air yang telah berubah menjadi uap tidak bisa kabur menuju atmosfir (molekul‐molekul tersebut terperangkap dalam wadah). Jumlah molekul‐molekul air yang berubah menjadi uap cukup banyak sehingga terdapat kemungkinan terjadinya tumbukan antara molekul‐molekul dengan dinding wadah.
Sebagian molekul‐molekul yang menumbuk dinding wadah akan dipantulkan kembali menuju permukaan air dan bergabung menjadi air. Proses ini berulang secara terus menerus. Seiring bertambahnya waktu, semakin banyak molekul‐molekul air yang berubah menjadi uap (berubah wujud dari cair menjadi uap). Pada saat yang sama, sebagian molekul yang menabrak dinding wadah akan berubah lagi menjadi air (berubah wujud dari uap menjadi cair). Apabila jumlah molekul‐molekul yang berubah wujud dari cair menjadi uap sama dengan jumlah molekul‐molekul yang berubah wujud dari uap menjadi cair, maka akan terjadi keseimbangan. Ketika terjadi keseimbangan, bagian atas wadah yang berisi uap dikatakan jenuh… Tekanan uap pada daerah yang jenuh dikenal dengan julukan Tekanan uap jenuh.
Perubahan wujud dari cair menjadi uap disebut penguapan. Sedangkan perubahan wujud dari uap menjadi cair disebut kondensasi. Perlu diketahui bahwa tekanan uap jenuh hanya bergantung pada suhu saja dan tidak bergantung pada volume. Apabila suhu air meningkat, maka energi kinetik molekul‐ molekul air bertambah.
Energi kinetik molekul‐molekul air bertambah sehingga kelajuan molekul‐molekul air pasti meningkat. Dengan demikian, akan semakin banyak molekul‐molekul yang mempunyai kelajuan tinggi yang berubah menjadi uap (berubah wujud dari cair menjadi uap). Karena volume wadah tetap, maka tekanan uap hanya bergantung pada jumlah molekul (N) dan kelajuan (v).
Semakin banyak molekul (N makin besar) berubah menjadi uap dan semakin tinggi kelajuan molekul‐molekul tersebut (v makin besar), maka tekanan uap juga semakin meningkat. Dengan demikian, keseimbangan akan terjadi pada tekanan uap yang lebih tinggi. Karenanya tekanan uap jenuh juga semakin tinggi. Tekanan uap jenuh hanya ada ketika terjadi keseimbangan. Berikut ini nilai tekanan uap jenuh air yang berubah terhadap suhu.
Tekanan uap bergantung pada volume, tetapi tekanan uap jenuh tidak bergantung pada volume. Seandainya volume wadah bertambah atau berkurang, pada suatu saat akan terjadi keseimbangan. Ilustrasi di atas hanya mau menghantarmu untuk memahami tekanan uap jenuh yang terjadi pada atmosfir. Bedanya, dalam ilustrasi sebelumnya kita menganggap tidak ada udara pada bagian wadah yang tidak berisi air. Karenanya bagian wadah yang tidak berisi air hanya ditempati oleh uap air. Sebaliknya, permukaan bumi selalu terisi udara. Tumbukan antara molekul‐molekul uap dengan molekul‐molekul gas lain hanya memperlama terjadinya keseimbangan. Walaupun demikian, pada suatu saat akan terjadi keseimbangan juga apabila jumlah molekul‐molekul air yang berubah menjadi uap sama dengan jumlah molekul‐molekul uap yang berubah menjadi air.
