ILMU TERMODINAMIKA : FASE ZAT

Fase adalah besaran zat yang mempunyai struktur fisika dan komposisi kima yang homogen. Struktur fisika dikatakan homogen apabila terdiri dari gas saja, cair saja, atau padat saja. Sistem dapat terdiri dari dua fase seperti cair dan gas. Komposisi kimianya dikatakan homogen apabila zat terdiri satu bahan kimia yang dapat berbentuk, padat, cair atau gas atau campuran dari dua atau tiga bentuk itu. Campuran gas seperti udara atmosfer dianggap senyawa tunggal. Zat murni memiliki komposisi yang seragam dan tidak berubah.

Zat murni dapat berada dalam beberapa fase:

1.      Fase padat biasa dikenal dengan es

2.      Fase cair

3.      Fase Uap

4.      Campuran kesetimbangan fase cair dan uap

5.      Campuran kesetimbangan fase padat dan cair

6.      Campuran kesetimbangan fase padat dan uap

Benda pada umumnya memiliki 3 fase yaitu:

a.     Fase Padat

Dalam keadaan padatan gaya-gaya intermolekul menjaga molekul-molekul berada dalam

hubungan spasial tetap. Letak molekul sangat berdekatan dan teratur, gaya tarik

antarmolekul sangat kuat sehingga gerakan molekul tidak bebas. Gerakan molekul zat padat

hanya terbatas bergetar(vibrasi) dan berputar(rotasi) di tempat saja. Molekul-molekulnya

tidak mudah dipisahkan sehingga bentuknya selalu tetap.

b.     Fase Cair

Dalam cairan, gaya-gaya antarmolekul menjaga molekul tetap berada berdekatan, namun

tidak ada hubungan spasial yang tetap. Gerakan molekul cukup bebas, bentuknya mudah

berubah tetapi volumenya tetap. Molekul zat cair dapat berpindah tempat tetapi tidak

mudah meninggalkan kelompoknya karena masih terdapat gaya tarik menarik.

C.          Fase Gas

Dalam keadaan gas molekul lebih terpisah dan gaya tarik antarmolekul relatif tidak

mempengaruhi gerakannya. Bergerak sangat bebas karena gaya tarik menarik antarmolekul

hampir tidak ada. Volume dan bentuknya mudah berubah. Zat gas dapat mengisi seluruh

ruangan yang ada.

Fase-fase suatu zat(padat, cair, gas) dapat terbentuk pada temperatur dan tekanan tertentu

yang tak dapat saling berubah yang dapat menunjukkan kesetimbangan fase zat-zat tersebut

Perubahan fase/transisi fase adalah perubahan wujud zat dari satu fase ke fase yang lain. Suhu/temperatur zat selama proses transisi fase ini adalah tetap dan suhu ini dinamakan suhu transisi. Perubahan Fase merupakan efek dari adanya salah satu sifat fisika zat, yaitu wujud. Sifat fisika zat sendiri ialah sifat yang dapat diamati secara langsung tanpa mengubah susunan zat, misalnya wujud, warna, kelarutan, daya hantar listrik, dan kemagnetan, titik lebur dan titik didih.

Secara harfiah, perubahan fasa terjadi saat sebuah zat berubah dari satu wujud ke wujud yang lain. Misalnya dari gas ke cair, cair ke padat, padat ke gas, dan sebaliknya. Setiap proses melibatkan panas, baik panas itu dilepas oleh zat ataupun diterima oleh zat, tapi tidak melibatkan perubahan temperatur.Adapun faktor faktor yang mempengaruhi terjadinya perubahan fase, yaitu :

1.  suhu zat

2.  tekanan permukaannya

Dapat disimpulkan perubahan fase zat adalah perubahan wujud dari satu fase ke fase yang lain serta dipengaruhi oleh suhu zat dan tekanan permukaannya. 

Zat dapat berada dalam tiga wujud, yaitu padat, cair, dan gas. Pada saat terjadi perubahan wujud, misalnya dari padat menjadi cair atau dari cair menjadi gas, selalu disertai dengan pelepasan atau penyerapan kalor. Akan tetapi perubahan wujud tidak disertai dengan perubahan suhu. Perubahan fase zat (benda) dapat dijelaskan melaui diagram berikut :

a.  Mencair dan Membeku

Air (H₂ O) dalam fase padat bentuk dan volumenya tidak berubah. Air dalam fase padat disebut es. Jika es dinaikkan temperaturnya, es mulai mencair dan akhirnya es berubah menjadi air semuanya. Dalam perubahan fase dari fase padat ke fase cair temperatur zat tetap dan disebut sebagai titik lebur. Kalor yang terlibat dalam perubahan fase ini disebut kalor laten, dalam hal ini disebut kalor lebur. Sedangkan proses perubahan fase padat ke fase cair disebut mencair.Contoh peristiwa mencair pada saat batu es dimasukkan ke dalam air dan didiamkan beberapa saat.

Sedangkan pada proses perubahan fase cair ke fase padat dikenal titik beku dan kalor yang terlibat di dalamnya disebut sebagai kalor pembekuan. Proses perubahan fase cair ke fase padat disebut membeku. Contoh peristiwa membeku pada saat air dimasukkan ke dalam freezer lemari es.

Grafik berikut adalah grafik proses meleburnya es dari temperatur -5⁰C hingga temperaturnya 0⁰C. Kemudian pada temperatur 0⁰C, es dipanaskan atau diberikan kalor, dan ternyata temperatur es tidak mengalami perubahan, tetapi es berubah wujud menjadi air.

Hasil percobaan para ilmuan menunjukkan bahwa kalor lebur sama dengan kalor beku. Jadi kalor suatu zat didefinisikan sebagai kalor yang diperlukan oleh satu satuan massa zat untuk melebur seluruhnya pada titik leburnya. Jika suatu zat massanya m gram, untuk melebur seluruhnya dbutuhkan kalor sebesar Q joule. Berdasarkan definisi ini, kalor lebur zat (L) dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut :

L =                 Q = m.L

Keterangan : Q = Kalor (Joule)

L  = Kalor Lebur zat (Joule/kg)

m = massa zat

b.  Menguap dan Mengembun

Menguap merupakan perubahan wujud zat dari cair menjadi gas. Air di permukaan laut dan permukaan bumi menguap karena pengaruh pemanasan oleh sinar matahari. Setelah uap mencapai keadaan jenuh di udara, akan terjadi proses pengembunan, dan akan turun kembali ke bumi menjadi hujan.

Air (H₂ O) dalam fase cair disebut air. Air volumenya tetap tetapi bentuknya berubah-ubah sesuai dengan wadahnya. Jika air dinaikkan temperaturnya, maka air mulai mendidih dan berubah sifatnya menjadi uap air (H₂ O). Dalam perubahan fase dari fase cair ke fase gas temperatur zat tetap dan disebut sebagai titik uap. Kalor yang terlibat dalam perubahan faseini disebut kalor laten, dalam hal ini disebut kalor penguapan. Sedangkan proses perubahan fase cair ke fase gas disebut menguap. Contoh penguapan ialah ketika air dipanaskan di atas api maka lama kelamaan air akan menjadi uap (gas) atau titik-titik air.

Kebalikan dari proses penguapan disebut pengembunan. Pada proses pengembunan terjadi pembebasan kalor. Besarnya kalor yang dibebaskan oleh suatu zat ketika ketika terjadi pengembunan disebut kalor laten pengembunan atau kalor embun. Proses perubahan fase gas ke fase cair disebut mengembun.Contoh dari peristiwa mengembun ialah ketika menuangkan air dingin ke gelas beling, maka di permukaan luar gelas akan muncul uap karena ada perbedaan suhu.

c.  Mengkristal dan Menyublim

Jika kondisi alam memungkinkan, maka fase gas dapat berubah langsung ke fase padat atau sebaliknya. Perubahan dari fase gas ke fase padat disebut mengkristal. Dalam peristiwa menyublim dikenal titik sublimasi dan kalor yang terlibat di dalamnya disebut kalor sublimasi. Sedangkan perubahan dari fase padat ke fase gas disebut melenyap (ada orang yang menyebut menyublim). Contoh peristiwa menyublim atau melenyap terjadi pada pengharum ruangan atupun kamper. Dalam peristiwa melenyap dikenal titik lenyap (ada orang yang menyebut titik sublimasi) dan kalor yang terlibat di dalamnya disebut kalor pelenyapan (ada orang yang menyebut kalor sublimasi).

Dari uraian tersebut di atas dikenal temperatur tetap pada perubahan fase zat, yaitu:

1. titik embun = titik uap

2. titk lebur = titik beku dan

3. titik sublimasi = titik lenyap.

Dari uraian tersebut di atas juga dikenal istilah kalor laten, yaitu kalor yang diperlukan atau dilepaskan pada saat perubahan fase zat. Kalor laten tersebut adalah:

1. kalor pengembunan = kalor penguapan

2. kalor lebur = kalor beku dan

3. kalor sublimasi = kalor pelenyapan.

Berikut tabel kalor (lebur dan uap) dan titik (lebur dan didih) untuk beberapa jenis zat :