transformasi fisika zat murni

Perubahan Keadaan : Transformasi fisika zat murni

Permukaan Cairan

1.1 Tegangan Permukaan

Cairan cenderung mengambil bentuk yang meminimalkan luas permukaannya,  karena dengan demikian jumlah maksimum molekul ada pada bagian terbesar  dan dikelilingi oleh jumlah tetangga terbanyak. Karena itu tetesan cairan cenderung berbentuk bulat, karena bulatan adalah obyek geometri dengan perbandingan permukaan/volume trekecil. Walaupun demikian, mungkin saja ada gaya lain yang bersaing melawan kecenderungan membentuk bentuk ideal, dan terutama gravitasi dapat meratakan bulatan menjadi kubangan atau lautan.

Kita dapat menyatakan efek permukaan dalam bahasa fungsi Helmholtz dan Gibbs. Hubungan antara fungsi-fungsi ini dan luas permukaan adalah kerja yang diperlukan untuk mengubah sejumlah tertentu luas ini dan kenyataan bahwa pada kondisi berbeda, dA dan dG sama dengan kerj ayang dilakukan dalam mengubah sangat kecil ds luas permukaan suatu sampel sebanding dengan ds, dan kita menuliskannya :

dw = g ds

Koefisien g disebut tegangan permukaan, dimensinya adalah energi / luas (J m^-2). Pada volume dan temperatur tetap, kita dapat mengenali kerja pembentukan permukaan dengan perubahan fungsi Helmholtz, dan menuliskannya :

dA = g ds

Karena fungsi Helmholtz berkurang (dA < 0) jika luas permukaan berkurang (ds < 0), maka secara alamiah permukaan mempunyai kecenderungan untuk menyusut.

1.2 Tekanan uap di atas permukaan lengkung

1.2.1 Gelembung, rongga dan tetesan

Gelembung adalah daerah dimana uap (atau mungkin  juga udara) terperangkap dalam lapisan tipis. Rongga adalah lubang berisi uap di dalam cairan. Oleh karena itu yang sring disebut “gelembung” dalam cairan, sebenarnya adalah ronga, gelembung yang sebenranya adalah mempunyai dua permukaan (satu permukaan pada setiap sisi lapisan tipis), rongga hanya mempunyai satu permukaan. Perlakuan kduanya serupa, tetapi faktor pengali 2 diperlakukan oleh gelembung, untuk memperhitungkan luas permukaan yang ganda. Yang dimaksud dengan tetesan adalah volume kecil cairan yang ebrada dalam kesetimbangan dan dikelilingi oleh uapnya (dan mungkin juga udara).

Rongga dalam cairam ada pada kesetimbangan jika kecenderungan penurunan luas permukaan diimbangi dengan kenaikan tekanan-dalam yang dihasilkan. Jika tekanan di dalam rongga adalah p_in dan jarin-jarinya r, gaya keluar adalah tekanan x luas = 4p r² p_in. Gaya ke dalam berasal jumlah tekanan luar p_out dan tegangan permukaan. Perubahan luas permukaan jika jari-jari bulatan berubah dari r menjadi r + dr adalaj

ds = 4p(r + dr)² - 4pr² = 8pr dr

Oleh karena itu, kerja yang dilakukan jika kita memperluas permukaan sebesar itu adalah :

dw = 8pgr dr

Karena gaya x jarak adalah kerja, mka gaya yang melawan perluasan sejaug dr jika jari-jarinya r adalah:

F = 8pgr

Jika gaya keluar dan ke dalam seimbang, maka:

4pr²p_in = 4pr²p_out + 8pgr

Yang tersusun ulang menjadi persamaan Laplace:

  p_in = p_out +

Persamaan Laplace memperlihatkan bahwa, kaena 2pgr > 0, tekanan di dalam permukaan lengkung (pada sisi konkaf antar-muka) selalu lebih besar daripada tekanan luar. Perasamaan itu juga memperlihatkan bahwa selisihnya berkurang sampai dengan nol jika jari-jari lengkungan menjadi tak terhingga (yaitu jika permukaan rata). Rongga kecil mempunyai jari-jari kurva yang sangat kecil, sehingga pebedaan tekanan sepanjang permukaannya cukup panjang.

Karena lengkungan permukaan menghasilkan perbedaan tekanan DP = 2pgr, tentu tekanan uap di atas permukaan lengkung berbeda dengan tekanan uap di atas permukaan datar. Dengan menggunakan nilai DP ke dalam persamaan p = p*e^V_m^DP/RT, kita memperoleh persamaan Kelvin untuk tekanan uap cairan jika cairan disebarkan sebagai tetesan dengan jari-jari r.

p = p * e^2gVm/RTr

Tekanan cairan di luar rongga lebih kecil daripada tekanan di dalamnya sehingga perubahannya hanyalah tanda eksponen dalam persamaan di atas:

p = p * e^2gVm/RTr

Pengintian

Tetesan air dengan jari-jari 10^-3 mm dan 10^-6 mm, perbandingan p/p* pada temperatur 25^oC adalah sebesar 1,001 dan 3,0. Angka kedua, walaupun cukup besar tak dapat dipercaya karena pada jari-jari itutetesan kurang dari 10 molekul, sehingga dasar perhitunganny meragukan. Angka pertama memperlihatkan bahwa efeknya biasanya kecil, tetapi efek ini mungkin mempunyai konsekuensi penting. Misalkan pembentukan awan. Udara yang hangat dan lembab naik ke daerah yang lebih dingin, lebih tinggi di atmosfer. Pada suatu ketinggian, temperaturnya sangat rendah sehingga secara termodinamika uap bersifat tak stabil terhadap cairan dan tentu mengembun menjadi awan dari tetesan-tetesan cairan. Tahap awal ini dapat dibayangkan sebagai kerumunan molekul-molekul air yang bersatu menjadi tetesan mikroskopis. Karena tetesan semula sangat kecil., tekanan uapnya meningkat. Oleh karena itu, tetesan itu bukannya bertambah besar melainkan menguap. Efek ini menstabilkan uap karena kecnderungan awal untuk mengembun diimbangi dengan kecenderungan yang memuncak untuk menguap. Sehingga fase uap kemudian dikatakan lewat jenuh, karena fase ini secara termodinamika tidak stabil tetapi dicegah untuk mengembun oleh efek kinetik.

Awan memang terbentuk, sehingga ada mekanismenya. Ada dua proses yang menyebabkan. Yang pertama adalah banyak sekali molekul-molekul yang bersatu menjadi tetesan yang sangat besar, sehingga efek menguap yang ditingkatkan menjadi tidak berarti. Kemungkinan pembentukan pusat pengintian spontan ini kecil, dan dalam pembentukan hujan, mekanisme ini bukanlah yang dominan. Proses yang lebih penting bergantung pada adanya partikel debu yang kecil atau materi asing yang lain. Partikel-partikel ini mengintikan pengembunan dengan menyediakan permukaan tempat menempelnya molekul-molekul air. Kamar awan yang digunakan untuk mengikuti jalan partikel-partikel dasar bekerja dengan prinsip yang sama. Dalam lingkungan yang sangat bersih, campuran antara uap air dan udara yang lewat jenuh tidak melakukan pengembunan, tetepi jika partikel dasar yang diionkan dan bergerak cepat dilewatkan, ion-ion yang terbentuk pada jalan itu mengintikan pengembunan dan jelannya dipetakan sebagai lintasan air embun.

Cairan dapat lewat panas di atas titik didihnya dan lewat dingin di bawah titik lelehnya. Dalam hal ini, fase yang stabil secara termodinamika tidak tercapai karena terjadinya stabilisasi kinetik dengan tidak adanya pusat pengintian. Sebagai contoh, lewat panas terjadi karena uap di dalam rongga seakan-akan rendah, sehingga setiap rongga yang terbentu cenderung hancur. Hal ini terjadi karena bejana air yang tidak diaduk dipanaskan., karena temperaturnya dpaat naik hingga di atas titik didihnya. Letupan yang kuat sering terjadi, karena pengintian spontan menimbulkan gelembung yang cukup besar supaya dapat bertahan. Agar terjadi pendidihan yang mulus pada titik didih yang sebenarnya, sebaiknya kita berikan pusat-pusat pengintian, seperti sepotong kecil kaca yang betepi kasar atau gelembung-gelembung (rongga) udara. Kamar gelembung, yaitu cara lebih moderm untuk mengikuti partikel dasar, bekerja dengan prinsip serupa, teteapi tergantung pada [engintian dengan radiasi yang mengionkan terhadap penguapan hidrogen cair lewat panas.

1.3 Gaya Kapiler

Kecenderungan unutk cairan naik pada pipa kapiler merupakan konsekuensi tegangan permukaan. Apa yang terjadi jika pipa kapiler kaca mula-mula dimasukkan ke dalam air atau cairan apapun yang mempunyai kecenderungan menempel pada dinding? Energinya paling rendah pada saat lapisan titips menutupi sebanyak mungkin kaca tersebut. Ketika lapisan tipis merembet ke atas dinding bagian dalam, lapisan tipis itu mempunyai efek melengkungkan permukaan cairan di dalam pipa. Tekanan tepat di bawah meniskus lengkung lebih kecil kira-kira 2g/r daripada tekanan atmosfer, dengan r adalah jari-jari pipa dan permukaan dianggap berbentuk setengah bola. Tekanan tepat di bawah permukaan datar di luar pipa adalah P, yaitu tekanan atmosfer, tetapi di dalam pipa di bawah permukaan lengkung, tekanannya P - 2g/r. kelebihan tekanan luar menekan cairan itu sampai tercapainya kesetimbangan hidrostatik (tekanan yang sama dalam kedalaman yang sama, konsekuensinya lain dari persamaan potensial kimia).

Kenaikan Kapiler

Tekanan yang diberikan oleh sebuah kolom cairan yang rapatannya r dan tingginya h adalah:

p = rgh

tekanan hidrostatik ini sesuai dengan perbedaan tekanan 2g/r pada kesetimbangan. Oleh karena itu, tinggi kolam dalam kesetimbangan diperoleh dengan menyamakan 2g/r dan rgh, yang menghasilkan :

h =

jika gaya adesi antara cairan dan materi dinding kapiler lebih lemah daripada gaya kohesi dalam cairan maka cairan dalam pipa menarik diri dari dinding. Akhirnya permukaan melengkung dengan sisi konkaf, bertekanan tinggi di bagian bawah. Untuk menyamakan tekanan pada kedalaman yang sama di seluruh bagian cairan, permukaan harus turun untuk mengimbangi ketinggian tekanan yang berasal dari lengkungnya. Hal ini mengakibatkan adanya penurunan kapiler.

Sudut kontak

Dalam banyak kasus, ada sudut bukan nol antara tepi meniskus dengan dinding. Jika sudut kontak ini adalah q_c persamaan h =  diubah dengan mengalihkan sisi sebelah kanan dengan cos q_c.

Asal mula sudut kontak dapat ditemukan dari gaya keseimbangan pada garis kontak antara cairan dan padatan. Jika tegangan permukaan padat/gas, padat/cair dan cair/gas (intinya energi yang diperlukan untuk menciptakan luas satuan setiap antar-muka) diberi notasi g_sg, g_sl, g_lg, maka gaya-gaya itu seimbang jika :

g_sg = g_sl + g_lg cos q_c                                      atau                  cos q_c =

Jika 0 < q_c < 90° (yang terjadi jika g_sl  = 0 ), cairan membasahi permukaan sepenuhnya. Dalam hal ini, tidak diperlukan kerja untuk membuat antar-muka padat/cair. Jika q_c = p (yang terjadi jika g_sg­ » 0, dan tidak diperlukan kerja untuk membuat antar-muka gas/padat ), maka setetes  cairan pada permukaan padatan tetpa terpisah dari padatan tersebut dengan selapis tipis uap. Untuk air raksa yang berbeda dalam kontak dengan kaca, q_c = 140°, yang memerlukan kondisi g_sg < g_sl. Hal ini dpaat terjadi jika lebih sedikit energi yang dibutuhkan yntuk membuat antar-muka padat/gas daripada untuk membuat antar-muka padat/cair, dan itu juga disebabkan adanya gaya kohesi yang kuat dalam cairan.

Sumber : Atkins. 1990. Kimia Fisika jilid 1 edisi keempat. Jakarta : Erlangga.

Ditulis oleh : Nurlaila Idayati (15630079)