Transisi Fase: Jenis, Klasifikasi, Properti & Contoh (w/ Diagram)

Setiap orang memiliki kenangan ketika mereka masih kecil dan es krim meleleh secara tak terduga (dan tidak diinginkan). Mungkin Anda berada di pantai, mencoba mengikuti aliran es krim yang meleleh mengalir di jari-jari Anda, tetapi kemudian seluruh sendok jatuh ke pasir. Mungkin Anda meninggalkan es loli di bawah sinar matahari terlalu lama dan kembali ke genangan air manis berwarna cerah. Apa pun pengalaman Anda, kebanyakan orang memiliki ingatan yang jelas tentang sesuatu difase padattransisi kefase cair, dan konsekuensi dari perubahan itu.

Tentu saja, fisikawan memiliki bahasa khusus untuk menggambarkan perubahan fase ini di antara berbagai keadaan materi. Seharusnya tidak mengejutkan bahwa sifat fisik yang berbeda dari bahan mengatur bagaimana mereka berperilaku, termasuk suhu di mana mereka mengalami perubahan fase. Mempelajari bagaimana Anda menghitung energi yang digunakan dalam perubahan fase ini dan sedikit tentang fisik yang relevan sifat sangat penting untuk memahami segala sesuatu mulai dari pencairan es hingga proses yang lebih tidak biasa seperti sublimasi.

Kebanyakan orang akrab dengan tiga fase utama materi: padat, cair dan gas. Namun, ada juga materi keempat yang disebut plasma, yang akan dijelaskan secara singkat nanti dalam artikel ini. Benda padat adalah yang paling mudah dipahami; materi dalam keadaan padat mempertahankan bentuknya dan tidak dapat dimampatkan ke tingkat yang menonjol.

Menggunakan air sebagai contoh, es adalah wujud padat, dan secara intuitif jelas bahwa es akan pecah sebelum Anda dapat mengompresnya menjadi volume yang lebih kecil, dan bahkan es yang pecah masih akan mengambil yang sama volume. Anda mungkin juga menganggap spons sebagai contoh tandingan yang mungkin, tetapi dalam kasus itu, ketika Anda "mengompresnya", Anda benar-benar hanya menghilangkan semua lubang udara yang dikandungnya dalam keadaan alaminya – materi padat yang sebenarnya tidak didapat terkompresi.

Cairan mengambil bentuk wadah tempat mereka berada, tetapi mereka tidak dapat dimampatkan dengan cara yang sama seperti padatan. Sekali lagi, air cair adalah contoh sempurna untuk ini karena sangat familiar: Anda dapat memasukkan air ke dalam apa saja bentuk wadah, tetapi Anda tidak dapat mengompresnya secara fisik untuk mengambil volume lebih sedikit daripada di aslinya negara. Gas seperti uap air, di sisi lain, mengisi bentuk wadah tempat mereka berada tetapi dapat dikompresi.

Perilaku masing-masing dijelaskan oleh struktur atomnya. Pada zat padat terdapat susunan kisi atom yang teratur, sehingga membentuk struktur kristal atau paling tidak massa amorf karena atom-atomnya tetap pada tempatnya. Dalam cairan, molekul atau atom bebas bergerak tetapi sebagian terhubung melalui ikatan hidrogen, sehingga mengalir bebas tetapi memiliki beberapa viskositas. Dalam gas, molekul-molekulnya benar-benar terpisah, tanpa gaya antarmolekul yang menyatukannya, itulah sebabnya gas dapat mengembang dan memampatkan jauh lebih bebas daripada padatan atau cairan.

Ketika Anda menambahkan panas ke padatan, itu meningkatkan suhunya hingga mencapai titik lelehnya, di mana tahap itu berubah. Energi panas yang Anda tambahkan begitu Anda berada di titik leleh tidak mengubah suhu; itu menyediakan energi untuk transisi fase dari fase padat ke fase cair, yang biasa disebut peleburan.

Persamaan yang menjelaskan proses peleburan adalah:

DimanaL​_f adalah panas laten peleburan bahan,sayaadalah massa zat danQadalah panas yang ditambahkan. Seperti yang ditunjukkan persamaan, satuan panas laten adalah energi/massa, atau joule per kg, g atau ukuran massa lainnya. Panas laten peleburan kadang-kadang disebut entalpi peleburan, atau kadang-kadang hanya panas laten peleburan.

Untuk zat tertentu – misalnya, jika Anda melihat secara khusus pada pencairan es – ada suhu transisi tertentu di mana hal ini terjadi. Untuk pencairan es menjadi air cair, suhu transisi fase adalah 0 derajat Celcius atau 273,15 Kelvin. Anda dapat mencari panas peleburan laten untuk banyak bahan umum secara online (lihat Sumberdaya), tetapi untuk es adalah 334 kJ/kg.

Proses yang sama seperti pelelehan terjadi ketika Anda menguapkan suatu zat, kecuali bahwa suhu di mana transisi fase terjadi adalah titik didih zat tersebut. Dengan cara yang sama, energi tambahan yang Anda berikan pada zat pada titik ini masuk ke fase transisi, dalam hal ini dari fase cair ke fase gas. Istilah yang digunakan di sini adalah panas laten penguapan (atau entalpi penguapan), tetapi konsepnya persis sama dengan panas laten peleburan.

Persamaan juga mengambil bentuk yang sama:

DimanaL​_v kali ini adalah panas laten penguapan (lihat Sumberdaya untuk tabel nilai bahan umum). Sekali lagi, ada suhu transisi khusus untuk setiap zat, dengan air cair mengalami transisi ini pada 100 C atau 373,15 Kelvin. Jadi jika Anda memanaskan massa tertentusayaair dari suhu kamar ke titik didih dan kemudian menguapkannya, ada dua tahap untuk: perhitungannya: energi yang dibutuhkan untuk membawanya ke 100 C, dan kemudian energi yang dibutuhkan untuk menguap saya t.

Meskipun transisi fase dari padat ke cair (yaitu, mencair) dan dari cair ke gas (menguap) adalah yang paling umum ditemui, ada banyak transisi lain yang dapat terjadi. Khususnya,sublimasiadalah ketika suatu zat mengalami transisi fase dari fase padat langsung ke fase gas.

Contoh paling terkenal dari perilaku ini adalah di es kering, yang sebenarnya adalah karbon dioksida padat. Pada suhu kamar dan tekanan atmosfer, ia menyublim langsung menjadi gas karbon dioksida, dan ini menjadikannya pilihan umum untuk efek kabut teater.

Kebalikan dari sublimasi adalahendapan, di mana gas mengalami perubahan keadaan langsung menjadi padat. Ini adalah jenis lain dari transisi fase yang kurang umum dibahas tetapi masih terjadi di alam.

Tekanan memiliki dampak besar pada suhu di mana transisi fase terjadi. Pada tekanan yang lebih tinggi, titik penguapan lebih tinggi, dan berkurang pada tekanan yang lebih rendah. Inilah sebabnya mengapa air mendidih pada suhu yang lebih rendah ketika Anda berada di ketinggian, karena tekanannya lebih rendah dan oleh karena itu titik didihnya juga. Hubungan ini biasanya ditunjukkan dalam diagram fase, yang memiliki sumbu untuk suhu dan tekanan, dan garis yang memisahkan fase padat, cair dan gas untuk zat yang bersangkutan.

Jika Anda melihat diagram fase dengan cermat, Anda akan melihat bahwa ada titik tertentu di mana zat berada di persimpangan ketiga fase utama (yaitu, fase gas, cair dan padat). Ini disebuttiga poin, atau titik kritis untuk zat, dan itu terjadi pada suhu kritis tertentu dan tekanan kritis.

Keadaan materi keempat adalah plasma. Ini sedikit berbeda dari keadaan materi lainnya, karena secara teknis merupakan gas yang telah terionisasi (yaitu, elektron dihilangkan jadi atom penyusunnya memiliki muatan listrik bersih), dan karena itu tidak memiliki transisi fase dengan cara yang sama seperti keadaan lain dari masalah.

Perilakunya sangat berbeda dari gas biasa, karena meskipun secara elektrik dapat dianggap "semu netral" (karena ada jumlah proton dan elektron yang sama dalamseluruhplasma), ada kantong muatan terkonsentrasi dan arus yang dihasilkan. Plasma juga merespons medan listrik dan magnet dengan cara yang tidak dilakukan gas biasa.

Salah satu cara paling terkenal untuk menggambarkan transisi antara fase yang berbeda adalah sistem klasifikasi Ehrenfest, yang membagi transisi menjadi transisi fase orde pertama dan orde kedua, dan sistem modern sangat didasarkan pada ini. "Orde" transisi mengacu pada turunan orde terendah dari energi bebas termodinamika yang menunjukkan diskontinuitas. Misalnya, transisi antara padatan, cairan dan gas adalah transisi fase orde pertama karena panas laten menciptakan diskontinuitas dalam turunan energi bebas.

Transisi fase orde kedua memiliki diskontinuitas dalam turunan kedua dari energi bebas, tetapi tidak ada panas laten yang terlibat dalam proses tersebut, sehingga dianggap fase kontinu continuous transisi. Contohnya termasuk transisi ke superkonduktivitas (yaitu titik di mana sesuatu menjadi superkonduktor) dan transisi fase feromagnetik (seperti yang dijelaskan oleh model Ising).

Teori Landau digunakan untuk menggambarkan perilaku suatu sistem, terutama di sekitar titik kritis. Secara umum, ada pemutusan simetri pada suhu transisi fase, dan ini sangat berguna pada menggambarkan transisi dalam kristal cair, dengan fase suhu tinggi mengandung lebih banyak simetri daripada suhu rendah tahap.

Mari kita asumsikan Anda memiliki balok es 1 kg pada 0 C, dan ingin mencairkan es dan menaikkan suhu menjadi 20 C, sedikit di atas suhu kamar standar. Seperti disebutkan sebelumnya, ada dua bagian untuk perhitungan seperti ini: Anda perlu menghitung fase ubah dan kemudian gunakan pendekatan biasa untuk menghitung energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu dengan yang ditentukan jumlah.

Kalor laten peleburan air es adalah 334 kJ/kg, jadi gunakan persamaan sebelumnya:

Jadi mencairkan es, khususnya 1 kg, membutuhkan 334 kilojoule energi. Tentu saja, jika Anda bekerja dengan jumlah es yang lebih besar atau lebih kecil, 1 kg hanya akan diganti dengan nilai yang sesuai.

Sekarang, ketika energi ini telah ditransfer ke es, itu akan berubah fasetapitetap berada pada suhu 0 C. Untuk menghitung jumlah panas yang perlu Anda tambahkan untuk menaikkan suhu hingga 20 C, Anda hanya perlu mencari kapasitas panas spesifik air (C= 4.182 J/kg°C) dan gunakan ekspresi standar:

DimanaTberarti perubahan suhu. Ini mudah untuk dikerjakan dengan informasi yang kita miliki: Perubahan suhu yang dibutuhkan adalah 20 C, jadi sisa prosesnya cukup memasukkan nilai dan menghitung:

Oleh karena itu, seluruh proses (yaitu, mencairkan es dan memanaskan air) membutuhkan:

Jadi sebagian besar energi berasal dari proses peleburan, bukan pemanasan. Perhatikan bahwa perhitungan ini hanya berhasil karena satuannya konsisten – massa selalu dalam kg, dan energi diubah menjadi kJ untuk penambahan akhir – dan Anda harus selalu memeriksa ini sebelum mencoba a perhitungan.

Sekarang bayangkan Anda mengambil 1 kg air pada 20 C dari contoh terakhir, dan ingin mengubahnya menjadi uap air. Coba selesaikan masalah ini sebelum membaca lebih lanjut, karena prosesnya pada dasarnya sama dengan sebelumnya. Pertama, Anda perlu menghitung jumlah energi panas yang dibutuhkan untuk membawa air ke titik didih, dan kemudian Anda dapat melanjutkan dan mencari tahu berapa banyak energi tambahan yang dibutuhkan untuk menguapkan air.

Tahap pertama sama seperti tahap kedua dari contoh sebelumnya, kecuali sekarangT= 80 C, karena titik didih air cair adalah 100 C. Jadi menggunakan persamaan yang sama memberikan:

Dari titik di mana banyak energi telah ditambahkan, sisa energi akan menguapkan cairan, dan Anda harus menghitungnya menggunakan ekspresi lain. Ini adalah:

DimanaL​_v = 2256 kJ/kg untuk air cair. Perhatikan bahwa ada 1 kg air dalam contoh ini, Anda dapat menghitung:

Menambahkan kedua bagian dari proses bersama-sama memberikan total panas yang dibutuhkan:

Perhatikan lagi bahwa sebagian besar energi panas yang digunakan dalam proses ini (seperti es yang mencair) berada dalam fase transisi, bukan tahap pemanasan biasa.