Perubahan Fase: Kurva Pemanasan, Tekanan Uap, dan Diagram Fase

Mengapa suhu tertahan selama peleburan dan pendidihan

Panaskan sebongkah es dengan laju tetap dan catat suhunya, maka Anda mendapatkan kurva pemanasan. Suhunya naik, berhenti pada 0 °C selama es mencair, naik lagi, lalu berhenti pada 100 °C selama air mendidih. Pada bagian yang datar, energinya dipakai untuk memisahkan molekul-molekul melawan gaya tarik antarmolekulnya, bukan untuk membuatnya bergerak lebih cepat, sehingga suhu tidak berubah sampai perubahan fase selesai.

Kedua jenis segmen itu memerlukan dua persamaan yang berbeda. Di dalam satu fase, q = m × c × ΔT, dengan c kalor jenis. Selama perubahan fase pada suhu tetap, q = n × ΔH, dengan ΔH entalpi molar peleburan atau penguapan. Peleburan, penguapan, dan sublimasi bersifat endoterm. Pembekuan, pengembunan, dan deposisi melepaskan energi dalam jumlah yang sama, sehingga nilai ΔH-nya bertanda berlawanan.

Contoh soal: memanaskan es sampai menjadi uap

Berapa banyak kalor yang mengubah 40.0 g es pada −15.0 °C menjadi uap air pada 100.0 °C? Data: kalor jenis 2.093 J/(g·°C) untuk es dan 4.184 J/(g·°C) untuk air cair (Tabel 5.1 OpenStax); ΔHfus = 6.01 kJ/mol pada 0 °C dan ΔHvap = 40.67 kJ/mol pada 100 °C (subbab 10.3 OpenStax). Jumlah airnya adalah n = 40.0 g ÷ 18.015 g/mol = 2.220 mol.

Langkah 1, panaskan es: 40.0 × 2.093 × 15.0 = 1256 J, atau 1.26 kJ. Langkah 2, lelehkan: 2.220 mol × 6.01 kJ/mol = 13.3 kJ. Langkah 3, panaskan cairan dari 0 °C sampai 100 °C: 40.0 × 4.184 × 100.0 = 16 736 J, atau 16.7 kJ. Langkah 4, didihkan: 2.220 mol × 40.67 kJ/mol = 90.3 kJ. Total: 1.26 + 13.3 + 16.7 + 90.3 = 122 kJ, sampai tiga angka penting.

Pendidihan menyumbang sekitar 74 persen dari total, lebih dari lima kali kalor yang diperlukan untuk memanaskan cairan sebesar 100 derajat. Gunakan nilai ΔHvap pada suhu tempat pendidihan terjadi. Pada 25 °C, ΔHvap air adalah 44.01 kJ/mol, dan memakai angka itu di sini akan melebih-lebihkan langkah 4 sekitar 8 persen.

Tekanan uap dan persamaan Clausius–Clapeyron

Dalam wadah tertutup, cairan menguap sampai laju pengembunan menyamainya. Tekanan yang diberikan uap pada saat itu adalah tekanan uap, dan nilainya naik tajam seiring suhu. Cairan mendidih ketika tekanan uapnya sama dengan tekanan di atasnya, sehingga titik didih normal adalah suhu ketika tekanan uap mencapai 1 atm.

Bentuk dua titik persamaan Clausius–Clapeyron menghubungkan dua tekanan uap dengan entalpi penguapan: ln(P₂/P₁) = (ΔHvap/R)(1/T₁ − 1/T₂), dengan R = 8.314 J/(mol·K) dan suhu dalam kelvin. Persamaan ini mengasumsikan ΔHvap tetap dalam rentang itu, sehingga paling baik dipakai untuk rentang suhu yang tidak terlalu lebar.

Contoh soal 1. Tabel 9.2 OpenStax memberikan tekanan uap air sebesar 17.5 torr pada 20 °C dan 149.4 torr pada 60 °C. ln(149.4/17.5) = 2.144, dan 1/293.15 K − 1/333.15 K = 4.096 × 10⁻⁴ K⁻¹. ΔHvap = (8.314 × 2.144) ÷ 4.096 × 10⁻⁴ = 4.35 × 10⁴ J/mol, atau 43.5 kJ/mol. Nilai ini merupakan rata-rata dari 20 °C sampai 60 °C. Nilainya terletak di antara nilai pada 25 °C (44.01) dan pada 100 °C (40.67), sebagaimana mestinya.

Contoh soal 2. Pada suhu berapa air mendidih ketika tekanan udara 0.800 atm? Mulailah dari titik didih normal, 373.15 K pada 1.000 atm, dan gunakan ΔHvap = 40.67 kJ/mol. 1/T₂ = 1/373.15 − (8.314/40 670) × ln(0.800) = 2.7255 × 10⁻³ K⁻¹, sehingga T₂ = 366.9 K, atau 93.8 °C. Sebagai pemeriksaan, 0.800 atm sama dengan 608 torr, dan interpolasi antara 90 °C dan 95 °C pada Tabel 9.2 juga memberikan 93.8 °C.

Membaca daerah, garis, dan titik pada diagram fase

Diagram fase memplot tekanan terhadap suhu dan menunjukkan fase mana yang stabil pada setiap kondisi. Setiap daerah adalah satu fase. Setiap garis adalah kumpulan kondisi ketika dua fase berada bersama dalam kesetimbangan: padat dan cair di sepanjang kurva peleburan, cair dan gas di sepanjang kurva tekanan uap, serta padat dan gas di sepanjang kurva sublimasi.

Ketiga garis itu bertemu di titik tripel, satu-satunya suhu dan tekanan ketika padat, cair, dan gas berada bersama. Kurva tekanan uap berakhir di titik kritis. Di atas suhu kritis, tekanan sebesar apa pun tidak dapat mencairkan gas, dan zat itu menjadi fluida superkritis dengan sifat di antara sifat cairan dan gas.

Untuk memakai diagram, tentukan letak kondisi awal dan bergeraklah di sepanjang jalur yang dijelaskan soal. Pemanasan pada tekanan tetap adalah garis mendatar dari kiri ke kanan, dan setiap batas yang dilewatinya adalah perubahan fase. Pemampatan pada suhu tetap adalah garis tegak yang bergerak ke atas. Garis mendatar yang ditarik di bawah tekanan titik tripel hanya melewati kurva sublimasi, sehingga padatan langsung berubah menjadi gas.

Garis leleh air yang miring ke belakang dan titik tripel es kering yang tinggi

Titik tripel air berada pada 0.01 °C dan 0.0061 bar (NIST Chemistry WebBook), yaitu sekitar 0.0060 atm. Titik kritisnya berada pada 374 °C dan 218 atm (subbab 10.4 OpenStax). Tidak seperti biasanya, garis padat–cairnya sedikit miring ke kiri: menaikkan tekanan sedikit menurunkan titik leleh, karena es kurang rapat dibandingkan air cair dan tekanan menguntungkan fase yang lebih rapat. Sebagian besar zat memiliki kemiringan yang berlawanan.

Titik tripel karbon dioksida berada pada 216.58 K (−56.57 °C) dan 5.185 bar, yaitu 5.12 atm (NIST Chemistry WebBook). Karena tekanan itu di atas 1 atm, CO₂ cair tidak dapat ada di udara terbuka. Pada 1 atm, CO₂ padat (es kering) menyublim alih-alih meleleh. Titik kritisnya, 31.0 °C dan 73.8 bar, cukup rendah sehingga CO₂ superkritis dipakai di industri sebagai pelarut, misalnya untuk menghilangkan kafein dari biji kopi.

Contoh soal 3. Perkirakan suhu ketika es kering menyublim pada 1 atm (1.01325 bar), dimulai dari titik tripel dan entalpi sublimasi, ΔHsub = 26.1 kJ/mol (NIST WebBook, diukur di dekat 207 K). Persamaan Clausius–Clapeyron berlaku untuk garis padat–gas dengan cara yang sama seperti untuk garis cair–gas. ln(1.01325/5.185) = −1.633. 1/T₂ = 1/216.58 − (8.314/26 100) × (−1.633) = 5.137 × 10⁻³ K⁻¹, sehingga T₂ = 194.7 K, atau −78.5 °C. Hasil itu sesuai dengan suhu sublimasi normal −78.5 °C yang dikutip LibreTexts.

Kesalahan perhitungan perubahan fase

Sebagian besar kesalahan berasal dari mencampur kedua jenis segmen kurva pemanasan atau dari keliru satuan dalam persamaan Clausius–Clapeyron. Buat sketsa kurva pemanasan dan beri label setiap segmen sebelum menghitung apa pun.

• Melewatkan langkah perubahan fase, atau menerapkan q = mcΔT pada bagian datar ketika ΔT bernilai nol.
• Memakai kalor jenis air cair untuk es atau untuk uap. Setiap fase memiliki nilainya sendiri.
• Mencampur joule dan kilojoule ketika menjumlahkan langkah-langkah. Ubah semuanya ke satu satuan sebelum menjumlahkan.
• Mengalikan ΔH dengan gram alih-alih mol, atau c dengan mol alih-alih gram, kecuali Anda memakai kapasitas kalor molar secara konsisten.
• Memakai suhu Celsius dalam persamaan Clausius–Clapeyron. Hanya kelvin yang berlaku, karena persamaan itu memakai 1/T.
• Memakai R = 0.08206 L·atm/(mol·K) dengan ΔH dalam joule. Dengan ΔH dalam J/mol, R harus 8.314 J/(mol·K).
• Membaca sumbu tekanan diagram fase sebagai linear padahal logaritmik, seperti yang sering terjadi untuk CO₂.