Materi Perubahan Wujud Suhu Kritis Titik Tripel
Pada pembahasan mengenai hukum gas ideal, telah dijelaskan bahwa hukum gas ideal menggambarkan perilaku gas ril secara akurat hanya ketika tekanan dan kerapatan gas ril tidak terlalu besar. Apabila tekanan dan kerapatan gas ril cukup besar, hukum gas ideal memberikan hasil yang tidak akurat. Demikian juga ketika suhu gas ril mendekati titik didih.
Hal ini sebenarnya berkaitan dengan interaksi yang terjadi antara molekul‐molekul gas ril. Tekanan gas berbanding terbalik dengan volume gas. Ketika tekanan gas cukup besar, volume gas menjadi lebih kecil. Karena volume gas kecil, maka jarak antara molekul‐molekul gas menjadi lebih dekat. Pada saat jarak antara molekul menjadi lebih dekat, molekul‐molekul tersebut saling tarik menarik. Mirip seperti ketika dirimu mendekatkan sepotong besi pada magnet. Kalau jarak antara magnet dan besi cukup jauh, magnet tidak bisa menarik besi. Tapi kalau jarak antara magnet dan besi dekat, besi ditarik semakin dekat.
Jadi molekul‐molekul gas berprilaku seperti magnet dan b esi dalam ilustrasi di atas… Ketika jarak antara molekul cukup dekat, molekul‐molekul tersebut saling tarik menarik. Adanya gaya tarik menyebabkan jarak antara molekul semakin dekat (volume gas semakin kecil). Biasanya hal ini terjadi pada saat tekanan gas cukup besar (Tekanan besar, volume kecil. Volume kecil, jarak antara molekul semakin dekat). Karenanya hukum gas ideal tidak memberikan hasil yang akurat ketika tekanan dan kerapatan gas ril cukup besar.
Diagram Tekanan vs Volume
Untuk lebih memahami persoalan di atas, mari kita tinjau diagram yang menyatakan hubungan antara tekanan dan volume gas. Kurva 1, 2, 3 dan 4 menunjukkan perilaku gas yang sama pada suhu yang berbeda. Suhu gas yang ditunjukkan kurva 1 lebih tinggi dari kurva 2. Suhu gas yang ditunjukkan kurva 2 lebih tinggi dari kurva 3. Suhu gas yang ditunjukkan kurva 3 lebih tinggi dari kurva 4. Kurva merupakan garis miring yang ada di tengah diagram. Suhu gas selalu tetap, yang berubah hanya tekanan (P) dan volume (V) gas.
Menurut hukum gas ideal, garis yang dimulai dari angka 1 harus berakhir di angka 1. Demikian juga garis yang dimulai dari angka 2 harus berakhir di angka 2. Kenyataan yang dialami oleh gas ril tidak sesuai dengan ramalan hukum gas ideal. Ketika tekanan gas cukup besar, volume gas menjadi lebih kecil dan menyimpang dari ramalan hukum gas ideal (bandingkan dengan kurva 1 dan kurva 2). Besarnya penyimpangan volume gas juga bergantung pada suhu. Jika suhu gas lebih rendah dan mendekati titik cair alias titik didih (titik b), gas biasanya mengalami penyimpangan volume yang lebih besar dibandingkan ketika suhunya lebih tinggi (bandingkan kurva 1, 2, 3 dan 4). Hal ini dipengaruhi oleh adanya gaya tarik antara molekul‐molekul gas, seperti yang telah dijelaskan sebelumnya.
Kurva 3 pada diagram di atas menunjukkan perilaku suatu zat pada suhu kritisnya. Titik c yang dilalui kurva 3 disebut titik kritis. Pada suhu yang lebih tinggi dari suhu kritis, wujud gas tidak bisa berubah menjadi wujud cair walaupun diberikan tekanan yang sangat besar (bandingkan dengan kurva 2 dan kurva 1). Tekanan yang diberikan hanya membuat volume gas menjadi semakin kecil, tetapi tidak bisa mengubah wujud gas menjadi cair. Sebaliknya, pada suhu yang lebih rendah dari suhu kritisnya, wujud gas akan berubah menjadi cair jika diberikan tekanan tertentu (bandingkan dengan kurva 3). Besarnya tekanan yang bisa mengubah wujud gas menjadi cair pada suhu kritis dikenal dengan julukan tekanan kritis. Setiap zat memiliki suhu kritis dan tekanan kritis yang berbeda.
Kurva 4 pada diagram di atas menunjukkan proses perubahan wujud dari gas menjadi cair. Luasan yang diarsir (menyerupai gunung) merupakan daerah di mana wujud gas dan wujud cair berada dalam kesetimbangan. Mula‐mula volume gas cukup besar. Setelah tekanan gas bertambah, volume gas menjadi semakin kecil hingga mencapai titik b (titik b adalah titik cair alias titik didih). Ketika tiba di titik b, gas mulai berubah wujud menjadi cair. Selama proses perubahan wujud dari gas menjadi cair (dari titik b hingga titik a), volume zat menjadi semakin kecil walaupun tidak ada penambahan tekanan (ditandai dengan garis lurus). Pada titik a, semua gas telah berubah wujud menjadi cair. Setelah tiba di titik a, penambahan tekanan pada zat hanya mengakibatkan perubahan volume yang sangat kecil (ditandai dengan bentuk kurva yang sangat curam).
Dalam kehidupan sehari‐hari, kita seringkali menggunakan istilah uap dan gas. Misalnya uap air atau gas nitrogen. Hampir tidak pernah kita menyebut uap air sebagai gas air, walaupun uap air sebenarnya merupakan wujud gas dari air. Demikian juga dengan nitrogen, oksigen dll. Nitrogen atau oksigen biasa disebut sebagai gas. Gas dan uap memiliki makna yang berbeda. Apabila wujud gas dari suatu zat berada di bawah suhu kritis zat tersebut, maka kita menyebutnya sebagai uap. Sebaliknya, jika wujud gas dari suatu zat berada di atas suhu kritis zat tersebut, maka kita menyebutnya sebagai gas.
Diagram Tekanan vs Suhu (Diagram Fase)
Sebelumnya sudah dijelaskan perilaku zat, menggunakan diagram Tekanan vs Volume. Selain menggunakan diagram P V, perilaku zat bisa dijelaskan menggunakan diagram Tekanan (P) vs Suhu (T). Diagram PT biasa disebut sebagai diagram fase. Disebut diagram fase karena diagram ini digunakan untuk membandingkan fase alias wujud zat. Salah satu zat yang sering mengalami perubahan wujud adalah air.
Terdapat tiga kurva pada diagram, yakni kurva penguapan, kurva peleburan dan kurva sublimasi.
Kurva penguapan menunjukkan titik‐titik di mana wujud cair dan uap berada dalam keseimbangan. Titik di mana wujud cair dan uap berada dalam keseimbangan di sebut titik cair alias titik didih (Di sebut titik cair karena pada titik ini uap bisa mencair dan berubah wujud menjadi air. Disebut titik didih karena pada titik ini air bisa mendidih dan berubah wujud menjadi uap). Dengan demikian, kurva penguapan sebenarnya merupakan grafik yang menyatakan hubungan antara tekanan (P) dan suhu titik didih/titik cair. Tampak bahwa semakin kecil tekanan, semakin rendah suhu titik didih air, atau semakin besar tekanan, semakin tinggi suhu titik didih air. Pada tekanan 1 atm, suhu titik didih air = 100 oC. Sebaliknya pada tekanan 218 atm, suhu titik didih air = 374 oC.
Tekanan 218 atm disebut juga sebagai tekanan kritis air, sedangkan suhu 374 oC disebut juga sebagai suhu kritis air. Apabila suhu uap kurang dari 374 oC, maka uap bisa berubah wujud menjadi cair jika diberikan tekanan sebesar 374 oC. Tekanan sebesar apapun tidak bisa mengubah uap menjadi cair jika suhunya lebih besar dari 218 oC.
Kurva peleburan menunjukkan titik‐titik di mana wujud cair dan padat berada dalam keseimbangan. Titik di mana wujud cair dan padat berada dalam keseimbangan disebut titik lebur alias titik beku (Disebut titik lebur karena pada titik ini es bisa melebur menjadi air. Disebut titik beku karena pada titik ini, air bisa membeku menjadi es). Dengan demikian, kurva peleburan sebenarnya merupakan grafik yang menyatakan hubungan antara tekanan (P) dan suhu titik lebur atau titik beku. Pada tekanan 1 atm, suhu titik beku air (atau titik lebur es) = 0 oC. Sebaliknya pada tekanan 218 atm, suhu titik beku air (atau titik lebur es) kurang dari 0 oC. Perhatikan bahwa pada tekanan 1 atm, air berada dalam wujud cair jika suhunya berada di antara 0 oC dan 100 oC. Air berada dalam wujud padat jika pada tekanan 1 atm, suhunya kurang dari 0 oC atau air berada dalam wujud uap jika pada tekanan 1 atm, suhunya lebih dari 100 oC.
Kurva sublimasi menunjukkan titik‐titik di mana wujud padat dan uap berada dalam keseimbangan. Titik di mana wujud padat dan uap berada dalam keseimbangan disebut titik sublimasi. Dengan demikian, kurva sublimasi sebenarnya merupakan grafik yang menyatakan hubungan antara tekanan (P) dan suhu titik sublimasi… Sublimasi adalah proses perubahan wujud padat menjadi uap, tanpa melewati wujud cair… Biasanya sublimasi hanya terjadi pada tekanan rendah. es hanya bisa menyublim jika suhunya kurang dari 0,01 oC dan tekanan lebih kecil dari 0,006 atm. Titik di mana ketiga kurva saling berpotongan disebut titik tripel .
Di bawah ini adalah diagram fase untuk karbon dioksida. Perhatikan bahwa skala pada diagram fase air dan diagram fase karbon dioksida tidak linear.
