fase

Diagram temperatur-energi panas (T-Q) pada perubahan fase wujud zat.

Diagram ini menjelaskan pertambahan panas pada sebuah zat akan menaikkan temperatur zat tersebut sampai pada satu titik zat tersebut mengalami perubahan fase.

Pada proses perubahan fase ini, energi terus bertambah sedangkan tempetarur tetap.

Ketika fase zat sudah benar-benar berganti, misalnya dari padat menjadi cair, temperatur zat kembali naik seiring kenaikan panas.

Pertanyaannya, apa yang terjadi pada perubahan fase sehingga temperatur tidak bertambah seiring bertambahnya panas?

Prinsip dasar yang melatarbelakangi perubahan fase ini adalah penyerapan panas oleh zat. Kalau dalam kuliah Fisika Dasar di universitas, ini dibahas di bab termodinamika.

Oleh termodinamika, kita diajarkan definisi panas. Panas adalah energi yang mengalir dari sistem ke lingkungan, atau sebaliknya.

Sistem adalah sesuatu yang menjadi objek utama pengamatan kita, sedangkan lingkungan adalah segala sesuatu di luar sistem.

Sebuah sistem yang tersusun dari molekul-molekul umum disebut zat (Eng.: substance), atau disebut juga sebagai materi (Eng.: material). Orang kimia lebih sering menggunakan istilah zat, sedangkan orang fisika lebih sering menggunakan istilah materi. Dalam artikel ini saya menggunakan kata “zat” supaya konsisten dengan dua artikel sebelumnya.

Misalnya air, terdiri dari sejumlah molekul H₂O. Udara terdiri dari sejumlah molekul H₂O, molekul O₂, molekul N₂ dan banyak lagi.

Molekul-molekul ini terdiri dari  atom-atom yang disusun oleh inti atom (bermuatan positif) dan elektron (bermuatan negatif). Konfigurasi muatan-muatan ini sedemikian rupa sehingga ketika dua buah molekul berdekatan mereka akan saling tolak-menolak, sedangkan saat mereka berjauhan mereka akan saling tarik-menarik. Inilah dasar teori atom.

Ini seperti dua buah benda yang terikat pada masing-masing ujung sebuah pegas seperti gambar berikut ini.

 

Dua massa terikat pada masing-masing ujung pegas mengalami tarik-menarik (atas) dan tolak-menolak (bawah).

Gaya tarik-menarik dan tolak-menolak ini nilainya berbeda saat zat berwujud padat, cair, dan gas.

Gaya tarik-menarik dan tolak-menolak yang dialami oleh molekul-molekul ini menyebabkan merekabergetar (vibrasi). Getaran molekul-molekul ini terjadi dalam keadaan setimbang (ekuilibrium) sehingga jarak rerata antarmolekul terjaga.

Ketika zat mengalami pertambahan panas, panas ini menambah kegesitan molekul-molekul tersebut. Dalam bahasa fisika dinyatakan sebagai “panas tersebut menambah energi kinetik molekul-molekul tersebut”. Jumlah energi kinetik rerata molekul-molekul penyuzun zat ini dapat diamati secara makroskopik oleh besaran yang kita kenal dengan temperatur.

Artinya, temperatur sebuah zat adalah gejala makroskopik dari energi kinetik molekul-molekul penyusun zat tersebut.

Hubungan antara T rerata K diberikan oleh

K = 3/2 kT

dengan k adalah konstanta Boltzmann.

Mari kita mulai dari zat padat, misalnya es (air yang berupa es, temperaturnya di bawah 0° C). Jarak antarmolekul H₂O rapat, sehingga amplitudo getaran antar-H₂O kecil.

Pertambahan panas akan membuat H₂O menjadi lebih gesit sehingga amplitudo getaran yang mereka alami pun makin bertambah besar. Akibatnya, jarak rerata antarmolekul makin bertambah besar.

Jika panas terus bertambah, molekul-molekul H₂O semakin gesit, jarak rerata antar-H₂O semakin besar, maka gaya tarik-menarik pun makin melemah. Selama proses ini, temperatur es terus bertambah seiring bertambahnya panas.

Pada satu titik, saat panas terus bertambah, gaya tarik-menarik antar-H₂O tidak cukup lagi untuk menarik molekul-molekul H₂O tersebut sehingga mereka lepas.

Jika ini terjadi, maka disebut es telah mencapai titik cairnya (Eng.: melting point).

Selama proses ini, energi panas  digunakan untuk menyempurnakan pelepasan molekul-molekul H₂O dari gaya tarik-menariknya saat mereka berada dalam keadaan padat. Oleh sebab itu, meskipun panas bertambah, temperatur zat tidak bertambah.

Inilah yang disebut perubahan fase zat dari padat ke cair.

Prinsip yang sama berlaku untuk perubahan fase zat dari cair ke gas.