Tabla de Contenidos
Kita semua telah melihat bagaimana es batu meleleh ketika dimasukkan ke dalam air atau cairan lain. Kita juga telah melihat bagaimana es yang diletakkan di atas meja perlahan berubah menjadi genangan kecil air dingin. Tapi di mana dari dua kasus itu meleleh lebih cepat?
Artikel ini berusaha mengilustrasikan beberapa konsep penting tentang perpindahan panas dari analisis salah satu fenomena fusi paling umum yang kita temui dalam kehidupan kita sehari-hari: pencairan es batu.
Untuk pembahasan kita, mari kita mulai dengan mendefinisikan beberapa konsep penting.
proses penggabungan
Mencairnya es batu adalah proses perubahan fase fisik di mana air berubah dari padat menjadi cair. Jenis perubahan fasa ini disebut peleburan dan merupakan proses endotermik. Yang terakhir berarti es harus menyerap panas untuk mencair; yaitu, ia harus mematahkan gaya antarmolekul yang menahan molekul air dengan kuat di dalam es.
Proses ini dapat diwakili oleh persamaan berikut:
di mana Q leleh adalah panas yang harus diserap air untuk meleleh.
Seperti yang Anda lihat, yang diperlukan untuk mencairkan es hanyalah panas. Oleh karena itu, untuk menentukan kapan es mencair lebih cepat, apakah di dalam air atau di udara, yang sebenarnya harus kita tanyakan adalah dalam keadaan apa es dapat menyerap kalor lebih cepat.
Variabel yang Mempengaruhi Proses Fusi
Fusi adalah proses yang tergantung pada beberapa faktor seperti suhu, tekanan, dan keberadaan zat terlarut dalam cairan.
suhu leleh
Pertama, perubahan fasa ini terjadi atau teramati pada suhu tertentu yang disebut titik leleh. Artinya, agar suatu zat berada dalam keadaan padat, ia harus berada pada suhu di bawah titik lelehnya.
Kebalikannya juga benar. Setiap kali kita melihat suatu zat dalam keadaan padat (seperti es) yang tidak meleleh, kita dapat yakin bahwa suhunya di bawah titik lelehnya. Untuk melelehkannya, pertama-tama kita harus memanaskan padatan hingga titik lelehnya, lalu menambahkan lebih banyak panas untuk melelehkannya.
Ini memiliki implikasi penting untuk masalah kita: saat mempertimbangkan di mana es akan mencair lebih cepat, kita harus memastikan bahwa dalam kedua kasus es tersebut berada pada suhu awal yang sama. Jika tidak, lebih banyak panas akan dibutuhkan dalam satu wadah untuk membawa es ke titik lelehnya.
efek tekanan
Titik leleh sebagian besar padatan meningkat dengan tekanan, tetapi dalam kasus air, justru sebaliknya. Hal ini disebabkan oleh sifat anomali air, yaitu, tidak seperti sebagian besar zat murni, air dalam keadaan padat (yaitu es) kurang padat daripada air cair.
Ini menyebabkan peningkatan tekanan untuk membantu mengubah es menjadi air (yang memiliki volume spesifik lebih kecil). Oleh karena itu, lebih sedikit energi panas yang diperlukan untuk memisahkan molekul air dan mencairkan es, dan es mencair pada suhu yang lebih rendah (yakni lebih mudah).
efek solut
Di sisi lain, adanya zat terlarut atau pengotor dalam cairan juga merupakan faktor yang mempengaruhi titik leleh. Faktanya, ini adalah sifat koligatif larutan yang disebut depresi krioskopik atau depresi titik leleh.
Mengingat dua faktor ini yang dapat mempengaruhi titik leleh air dan oleh karena itu dapat mempengaruhi seberapa cepat es batu mencair dalam media ini dan itu, kita harus memastikan untuk melanjutkan analisis memastikan bahwa dalam kedua kasus kita berurusan dengan air yang sepenuhnya murni dan bebas dari zat terlarut apapun. Kita juga harus memastikan bahwa dalam kedua kasus tersebut tekanan atmosfernya sama dan tetap konstan. Ini akan sangat memudahkan analisis masalah sehingga kita dapat fokus pada satu-satunya variabel yang menarik bagi kita: apakah es itu dikelilingi oleh air cair atau udara.
Mekanisme perpindahan panas
Kami telah mengklarifikasi bahwa agar es mencair, ia perlu menyerap panas dari lingkungannya. Panas ini pertama-tama akan memenuhi peran memanaskan es batu hingga titik lelehnya, dan kemudian melakukan proses peleburan itu sendiri.
Jika kita mulai dengan dua es batu dengan ukuran, bentuk, dan massa yang sama, terbuat dari air yang benar-benar murni, dan memiliki suhu awal yang sama, maka kedua es batu tersebut akan membutuhkan jumlah panas yang persis sama untuk mencair.
Oleh karena itu, yang harus kita analisa adalah dimana es akan lebih cepat menyerap panas: dari udara atau dari air cair. Untuk melakukan ini, kita harus memahami berbagai cara perpindahan kalor, yaitu: konveksi, konduksi, dan radiasi.
konduksi panas
Mekanisme transfer ini adalah salah satu yang terjadi melalui kontak langsung antara partikel yang membentuk dua benda (atau dua sistem termodinamika) yang berada pada suhu yang berbeda. Ini adalah jenis perpindahan yang terjadi saat tangan kita terbakar dengan menyentuh panci panas, misalnya. Ini juga merupakan jenis pertukaran panas yang terjadi antara es dan air atau antara es dan udara.
Tingkat konduksi panas tergantung pada beberapa faktor. Diantaranya adalah permukaan kontak, gradien suhu (yaitu, perbedaan suhu antara dua titik dibagi jaraknya) dan konduktivitas termal medium (yang tidak lebih dari ukuran seberapa baik panas menghantarkan suatu bahan).
Dari semua variabel ini, kita dapat mengontrol permukaan kontak dengan memastikan kedua es memiliki bentuk dan dimensi yang sama. Kita juga dapat mengontrol gradien suhu dengan mengontrol suhu awal es, air, dan udara. Namun, konduktivitas termal akan berbeda dalam kasus udara dan air.
konveksi
Konveksi adalah fenomena yang terjadi pada cairan seperti cairan dan gas. Ini terdiri dari pergerakan partikel fluida yang berada pada satu suhu menuju area yang suhunya berbeda. Konveksi dapat terjadi secara alami jika gerakan tersebut dihasilkan oleh perbedaan kerapatan yang disebabkan oleh perbedaan suhu, atau dapat dihasilkan secara mekanis seperti saat makanan panas ditiup.
Radiasi
Akhirnya, setiap permukaan memancarkan energi dalam bentuk radiasi elektromagnetik. Misalnya, api mampu menghangatkan kita dengan kecerahannya meskipun kita tidak bersentuhan dengan udara panas yang dipancarkan secara konveksi.
Jadi di mana es mencair paling cepat?
Kami sekarang memiliki semua alat untuk menjawab pertanyaan ini. Untuk menyederhanakan analisis sebanyak mungkin, kami akan memastikan agar semua variabel yang dapat memengaruhi pencairan air tetap konstan dan hanya variabel yang bergantung langsung pada udara dan air.
Kita mulai dengan dua es batu identik yang terbuat dari air murni, dengan bentuk dan ukuran yang sama; keduanya berada pada suhu awal yang sama. Kami menenggelamkan satu dalam wadah besar dengan air yang suhunya sama dengan udara, dan kami menempatkan yang lain di atas permukaan isolasi termal yang bersentuhan dengan udara. Kami melakukan seluruh percobaan di ruangan tertutup di mana tidak ada aliran udara, meminimalkan semua bentuk perpindahan panas kecuali konduksi.
Selain itu, konduksi akan ditentukan terutama oleh bahan mediumnya; dalam kedua kasus gradien suhu pada dasarnya akan sama dan permukaan kontak akan sama, sehingga laju perpindahan panas, dan oleh karena itu kecepatan es akan mencair, akan bergantung terutama pada konduktivitas termal setengahnya.
Karena air menghantarkan panas hampir 30 kali lebih cepat daripada udara, es akan lebih cepat mencair di dalam air .
Faktor tambahan untuk dipertimbangkan
Perlu dicatat bahwa hal di atas tidak mewakili analisis masalah yang mendalam dan terperinci. Misalnya, fakta bahwa es mengapung di atas air tidak diperhitungkan, sehingga sebagian darinya akan terpapar ke udara dan tidak akan bersentuhan secara termal dengan air.
Hal yang sama terjadi dengan es yang ada di udara, karena es harus berada di permukaan tertentu, sehingga salah satu permukaannya tidak akan bersentuhan dengan udara tetapi dengan permukaan tersebut. Jika konduktivitas termal permukaan ini lebih besar dari udara, es akan menyerap panas lebih cepat melalui permukaan ini, meleleh lebih cepat.
Selain itu, saat meleleh, ini meningkatkan luas permukaan es yang meleleh (yaitu air) yang bersentuhan dengan permukaan, memperburuk efeknya.
Meskipun demikian, dapat diperkirakan bahwa efek ini kecil jika dibandingkan dengan perbedaan besar antara konduktivitas termal air dan udara.
Referensi
- Connor, N. (2020, 8 Januari). Berapa konduktivitas termal air dan uap? – Definisi . Diambil dari https://www.thermal-engineering.org/es/que-es-la-conductividad-termica-del-agua-y-el-vapor-definicion/
- Laplace.us. (td). Sifat air . Diambil dari http://laplace.us.es/wiki/index.php/Propiedades_del_agua
- MINEDUC. (2019). Perpindahan panas . Diperoleh dari https://www.mineduc.gob.gt/DIGECADE/documents/Telesecundaria/Recursos%20Digitales/3o%20Recursos%20Digitales%20TS%20BY-SA%203.0/CIENCIAS%20NATURALES/U9%20pp%20210%20transferencia% 20of%20heat.pdf
- Instrumen Termostat. (2020, 28 Agustus). Bahan konduktif termal dan aplikasi umum . Diperoleh dari https://thermtest.com/latinamerica/materiales-termicamente-conductores-y-aplicaciones-comunes
