Haba Pendam dan Perubahan Fasa

Apabila ais pada takat leburnya menerima haba, suhunya tidak terus meningkat. Tenaga yang dipindahkan digunakan untuk mengubah susunan dan interaksi antara zarah sehingga ais bertukar menjadi air. Fenomena yang sama berlaku dalam arah songsang apabila air membeku dan membebaskan tenaga ke persekitaran.

Perubahan fasa mengubah susunan zarah, bukan semestinya suhu

Peleburan, pembekuan, pengewapan, pemeluwapan, pemejalwapan dan pemendapan ialah contoh perubahan fasa. Dalam model mikroskopik, tenaga yang dipindahkan semasa perubahan fasa digunakan untuk mengubah jarak serta kekuatan interaksi antara zarah. Oleh itu, purata tenaga kinetik zarah yang berkait dengan suhu boleh kekal hampir tetap sepanjang perubahan fasa pada tekanan tertentu.

Haba pendam tentu mengukur tenaga bagi setiap unit jisim

Bagi perubahan fasa pada suhu peralihan, tenaga haba boleh dimodelkan dengan hubungan Q = mL. Q ialah tenaga yang dipindahkan, m ialah jisim dan L ialah haba pendam tentu bagi perubahan fasa tersebut. Nilai L bergantung pada bahan dan jenis perubahan fasa. Haba pendam tentu pelakuran berkaitan dengan peleburan atau pembekuan, manakala haba pendam tentu pengewapan berkaitan dengan pengewapan atau pemeluwapan.

Sebagai contoh, pada tekanan atmosfera piawai, satu kilogram ais pada 0 °C memerlukan kira-kira 334 kilojoule untuk mencair sepenuhnya menjadi air pada 0 °C. Untuk menukarkan satu kilogram air pada takat didih (100 °C) kepada wap pada tekanan atmosfera piawai, tenaga yang diperlukan kira-kira 2260 kilojoule, iaitu kira-kira tujuh kali ganda tenaga peleburan ais, kerana molekul perlu dipisahkan dengan lebih ketara.

Pemanasan sebenar boleh mempunyai beberapa peringkat

Jika sampel bermula di bawah takat leburnya, tenaga mula-mula menaikkan suhu fasa pepejal. Apabila takat lebur dicapai, tenaga seterusnya digunakan untuk peleburan. Selepas semua bahan menjadi cecair, tambahan haba sekali lagi boleh menaikkan suhu. Analisis yang sama digunakan ketika bahan menghampiri takat didih dan bertukar menjadi gas. Oleh itu, masalah haba sering perlu diselesaikan secara berperingkat, bukan dengan satu persamaan untuk seluruh proses.

Contoh pengiraan berperingkat

Andaikan 0.50 kg ais pada −10 °C dipanaskan menjadi air pada 20 °C pada tekanan atmosfera piawai, dengan haba tentu ais kira-kira 2.1 kJ/(kg K) dan haba tentu air kira-kira 4.18 kJ/(kg K). Peringkat 1, memanaskan ais daripada −10 °C ke 0 °C: Q₁ = mcΔT = 0.50 × 2.1 × 10 = 10.5 kJ. Peringkat 2, meleburkan ais pada 0 °C: Q₂ = mL = 0.50 × 334 = 167 kJ. Peringkat 3, memanaskan air daripada 0 °C ke 20 °C: Q₃ = mcΔT = 0.50 × 4.18 × 20 = 41.8 kJ. Jumlah tenaga ialah 10.5 + 167 + 41.8 ≈ 219 kJ. Hubungan Q = mL hanya digunakan pada peringkat 2; peringkat 1 dan 3 menggunakan mcΔT kerana suhu berubah.

Suhu perubahan fasa bergantung pada keadaan

Takat lebur dan takat didih bukan nombor mutlak bagi semua keadaan. Tekanan mempengaruhi keseimbangan antara fasa, dan campuran atau bahan terlarut juga boleh mengubah suhu peralihan. Kenyataan bahawa suhu kekal tetap semasa perubahan fasa paling tepat untuk bahan tulen yang mengalami peralihan pada tekanan yang dikawal.

Sejarah ringkas

Joseph Black, ahli kimia dan fizik Scotland, memperkenalkan konsep haba pendam pada sekitar 1760-an apabila beliau memerhatikan bahawa ais yang mencair menyerap haba tanpa suhunya naik.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?