Proses Perubahan Fasa Zat Murni

Sebagaimana telah dikemukakan pada bahasan sebelumnya, kita akan menggunakan air sebagai contoh dari proses perubahan fasa zat murni. Zat-zat murni lainnya pada umumnya akan memiliki prilaku yang mirip dengan prilaku perubahan fasa air.

Fasa-fasa air meliputi sebagai berikut:

Perubahan fase air dari compressed liquid menjadi saturated liquid

1. Compressed Liquid (Cairan Terkompresi)

Misalkan anda menempatkan air pada suatu peralatan berbentuk piston silinder  pada suhu 20°C  (293.15 K) dan tekanan 1 atm. Kondisi yang seperti ini disebut dengan istilah compressed liquid atau subcooled liquid yang berarti bahwa cairan tersebut belum siap untuk menguap.

Apabila sistem tersebut dipanaskan, maka suhu air akan meningkat (misalkan menjadi 60°C) yang diikuti dengan terjadinya peningkatan volume dari sistem akibat pengembangan dari volume air tersebut. Volume yang mengembang dengan massa yang tetap juga mengandung makna terjadinya peningkatan spesific volume (volume/massa) seperti pada gambar 2.

2. Saturated Liquid

Bila kita terus menambahkan panas pada sistem tersebut, maka suhu air akan meningkat hingga 100°C (373.15 K).  Pada titik ini, penambahan panas seberapapun juga akan menyebabkan air mulai menguap. Titik tertentu dimana air mulai menguap di sebut dengan istilah  saturated liquid

Perubahan fasa air dari saturated liquid - vapor mixture menjadi superheated vapor

3. Saturated Vapor

Jika panas terus ditambakan, maka uap yang terbentuk akan semakin banyak. Namun suhu dan tekanan dari campuran saturated liquid dan uap tersebut tidak berubah, yakni tetap pada suhu T=100°C (373.15 K) dan tekanan P=1 atm.  Satu-satunya properti yang berubah adalah specific volume.  Kondisi ini terus berlangsung hingga tetes cairan terakhir berubah menjadi uap. Pada titik ini, seluruh silinder telah menjadi uap yang memiliki suhu 100°C (373.15 K). Keadaan ini disebut dengan istilah saturated vapor.

Keadaan diantara titik Saturated Liquid hingga saturated vapor dimana air berada didalam dua fasa secara bersamaan ini di sebut dengan   saturated liquid-vapor mixture.

 4.  Superheated Vapor

Setelah semuanya menjadi uap, penambahan panas pada sistem akan meningkatkan suhu dari uap air tersebut. keadaan ini disebut dengan  superheated vapor.

Perbedaan antara saturated vapor dan superheated vapor adalah bahwa pada  saturated vapor, jika kita kurangi sedikit saja panas dari sistem, maka ia akan mulai mengembun, sementara pada superheated vapor, penguranan energi panas hanya akan menurunkan suhu uap saja, tidak akan merubah fasanya.

Representasi dari setiap kondisi yang digambarkan pada proses pemanasan air yang menyebabkan terjadinya perubahan fasa, digambarkan pada suatu grafik T-v. Pada sumbu vertikal menunjukkan nilai suhu dalam derajat celcius dan pada sumbu horizontal menunjukkan nilai spesific volume dalam meter kubik/kilogram, sebagaimana dapat dilihat dalam gambar berikut:

Hubungan antara suhu dengan spesifik volume pada perubahan fasa air pada tekanan 1 atm

Perlu diingat, bahwa grafik diatas berlaku untuk tekanan 1 atm saja (P= 1 atm).  Bila tekanan dinaikkan, maka grafik akan bergeser ke atas. Hal ini terjadi karena suhu dan tekanan merupakan properti yang saling terikat pada proses perubahan fasa. Sebagai akibatnya, suhu didih akan tergantung pada tekanan pada sistem. Semakin tinggi tekanan, maka suhu didih akan menjadi semakin tinggi.

Bila diberikan tekanan tertentu, maka suhu dimana suatu zat murni mengalami perubahan fasa disebut dengan suhu saturasi atau saturation temperature (T_sat).

Demikian pula, bila diberikan suhu tertentu, tekanan dimana suatu zat murni mengalami perubahan fasa disebut tekanan saturasi atau  saturation pressure (P_sat).

Pada proses perubahan fasa terlihat bahwa dengan memberikan panas tertentu pada suhu saturasi, belum merubah fasa dari cair menjadi uap.  Untuk merubahnya diperlukan sejumlah energi panas tertentu hingga fasa cair baru bisa berubah menjadi fasa uap. Besarnya energi yang diperlukan untuk merubah fasa cair menjadi fasa uap ini dikenal dengan sebutan dengan Kalor Laten (Latent Heat of Vaporization) dan jumlah nya sama dengan energi yang dilepaskan uap untuk berubah kembali menjadi fasa cair selama proses pengembunan.

Sebagai contoh, pada tekanan  1 atm, kalor laten air adalah sebesar 2257.1 kJ/kg.