TUGAS KHUSUS
Jelaskan mengenai penguapan, tekanan uap, dan uap panas ?
Jawab:
Destilasi dan rektifikasi adalah proses pemisahan termal yang digunakan secara luas
di bidang teknik untuk memisahkan campuran (larutan) dalam jumlah yang besar.
Contoh :
Destilasi atau penyulingan larutan, untuk mengurangi volumenya, untuk
meningkatkan konsentrasi zat terlarut, atau untuk menkristalkan bahan padat
yang terlarut.
Destilasi produk antara atau produk akhir yang diperoleh pada reaksi kimia.
Rektifikasi pelarut organik yang telah tercemar, agar diperoleh cairan murni
yang dapat digunakan kembali.
Kedua proses diatas adalah serupa, yait pemisahan terjadi oleh penguapan salah satu
komponen dari campuran, artinya dengan cara mengubah bagian-bagian yang sama
dari keadaan cair menjadi berbentuk uap. Persyaratannya adalah kemudahan
menguap (volatilitas) dari komponen yang akan dipisahkan berbeda satu dengan
lainnya.
Berikut ini dikemukakan beberapa pengertian dan gejala fisik yang berkaitan dengan
penguapan.
Di atas setiap cairan terdapat uap, yang terbentuk karena terlepasnya sejumlah
molekul yang berenergi tinggi dari permukaan cairan ke ruangan sekeliling
(mengatasi gaya tarik-menarik kohesi-dari molekul-molekul yang tinggal). Peristiwa
ini disebut sebagai penguapan dalam arti yang sangat luas. Dalam sistem yang
tertutup dapat tercapai suatu keadaan kesetimbangan yang tergantng pada suhu.
Dalam hal ini jumlah molekul dalam ruang yang kembali ke dalam cairan per satuan
waktu sama dengan jumlah molekul yang meninggalkan cairan per satuan waktu.
Molekul-molekul dalam ruang di atas cairan akan menimbulkan tekanan (karena
membentur dinding seperti molekul gas), yang di sebut sebagai tekanan uap dari
cairan yang bersangkutan. Tekanan uap adalah sebuah ukuran kecenderungan
molekul cairan untuk berubah menjadi uap, sehingga merupakan ukuran kemudahan
menguap (volatilitas) dari bahan yang bersangkutan. Setiap cairan memiliki tekanan
uap yang spesifik.
Tekanan uap suatu cairan tergantung pada suhunya. Semakin tinggi suhu cairan,
semakin banyak molekul berenergi tinggi (yaitu yang kecepatannya luar biasa besar)
dapat meninggalkan permukaan cairan per satuan waktu, sehingga semakin tinggi
tekanan uapnya. Pada titik nol mutlak tekanan uap juga sama dengan nol. (Berbeda
dengan cairan, bahan padat biasanya mempunyai tekanan uap yang sangat kecil pada
suhu ruang dan baru terlihat menguap secara nyata pada suhu yang amat tinggi).
Selama tekanan uap caiiran lebih kecil daripada tekanan sekelilingnya (tekanan
udara), maka yang menjadi uap hanyalah molekul-molekul yang berada pada
permukaan cairan. Peristiwa ini disebut penguapan. Pada penguapan ini diperlukan
energi dalam bentuk panas (untuk mengatasi gaya tarik menarik). Panas penguapan
diambil dari cairan itu sendiri (sehingga cairan menjadi dingin) ataupun dari
lingkungannya.
Segera setelah tekanan uap satu cairan menjadi sama besar dengan tekanan
sekelilingnya (karena adanya peningkatan suhu cairan atau penurunan tekanan
sekeliling), maka molekul-molekul di seluruh bagian cairan mulai menguap (jadi
tidak pada permukaannya saja). Di bagian dalam cairan kemudian timbul gelembung-
gelembung uap, cairan bergolak, dan terjadilah penguapan cairan dalam kuantitas per
satuan waktu yang jauh lebih besar daripada penguapan jenis sebelumnya. Peristiwa
ini dinamakan pendidihan dan suhu yang bersangkutan sidebut suhu didih.
Tekanan uap, kemudahan menguap dan titik didih mempunyai hubungan satu sma
lain yangdapat dinyatakan sebagai berikut :
- Cairan dengan tekanan uap yang tinggi pada suhu ruang akan mudah menguap
dan memiliki titik didih yang rendah. Contoh : etil alkohol, dietil eter.
- Cairan dengan tekanan uap yang rendah pada suhu ruang akan sukar menguap
dan memiliki titik didih yang tinggi. Contoh : Dikhloro benzen, nitro benzen.
Titik didih suatu cairan tergantung pada tekanan. Apabila tekanan sekeliling
meningkat, titik didih akan naik dan apbila tekanan sekeliling berkurang, titik didih
akan turun. (Sifat ini dimanfaatkan pada penguapan dalam kondisi vakum, misalnya
pada destilasi vakum). Pada tekaan sekeliling yang tetap besarnya, suatu cairan akan
selalu mendidih pada suhu yang sama.
Jika suatu cairan-mislanya karena pemanasan-mencapai temperatur didihnya, maka
pemanasan selanjutnya hanya kan membuat cairan menguap tanpa terjadi
peningkatan suhu. Selama penguapan, energi dalam bentuk panas yang disebut panas
penguapan harus selalu diberikan ke dalam cairan (untuk mengatasi gaya tarik-
menarik). Panas penguapan spesifik dari suatu cairan adalah jumlah panas (dalam
kkal/kg atau kJ/kg) yang diperlukan untuk mengbah 1 kg cairan yang bersangkutan
dari keadaan cair ke dalam bentuk uap pada titik didihnya.
Kasus khusus penguapan ditunjukkan oleh sublimasi bahan-bahan padat tertentu
(mislanya es kering, naftalin, yodium). Di sini bahan padat yang diberi panas (panas
sublimasi) langsung berubah ke dalam bentuk gas tanpa terjadi cair telebih dahulu.
Uraian-uraian di atas terutama berlaku untuk komponen murni. Dalam uraian
selanjutnya akan dibahas sifat-sifat campuran. Untuk mudahnya akan ditinjau dari
dua komponen. Pada campuran dua cairan yang tidak saling larut, tekanan uap total
adalah penjumlahan tekanan uap dari masing-masing komponen dalam keadaan
murni. Tekanan total tersebut tidak tergantung pada perbandingan massa antar
komponen. Tekann uap total dari campuran seperti ini dapat menyamai tekanan udara
sekeliling pada suatu suhu yang lebih rendah daripada yang dicapai oleh komponen
tunggal yang murni. Oleh karena itu titik didih campuran selalu lebih rendah daripada
titik didih terendah dari komponen yang membentuknya. Kenyataan ini (penurunan
suhu didih) diterapkan misalnya pada destilasi kukus (steam destillation).
Pada campuran yang komponen-komponennya dapat saling larut sempurna, tekanan
uap total juga merupakan hasil penjumlahan tekanan uap dari kedua komponen.
Tetapi dalam hal ini besarnya tekanan uap masing-masing (tekanan uap parsial)
tergantung pada konsentrasi komponen yang bersangkutan dalam campuran. Karena
danya gaya-gaya antar molekul (gaya tarik) dari komponen-komponen yang saling
larut, maka tekanan uap masing-masing komponen selalu lebih kecil daripada jika
komponen tersebut murni. Agar campuran dapat mendidih, yang berarti tekanan uap
total harus sebesar tekanan sekeliling, diperlukan suh campuran yang lebih tinggi
(kenaikan titik didih). Titik didih campuran berada di antara titik didih kedua
komponen murni. Tergantung pada perbandingan massa komponen dalam campuran
dan juga tekanan uap komponen tunggal. Harga titik didih campuran dapat lebih
dekat pada titik didih komponen yang satu atau komponen yang lain.
Pada proses pemisahan dengan cara penguapan, perilaku campuran dua komponen
yang dapat saling larut sangat bervariasi. Hal ini tergantung pada tekanan uap atau
titik didih komponen-kompone tersebut, apakah jauh berbeda atau dekat satu sama
lain, dan apakah dalam uap yang terbetuk terjadi suatu pengayaan uap dari komponen
yang lebih mudah menguap.
- Pada pelarutan bahan padat dalam cairan, jika dibandingkan dengan tekanan
uap pelarut maka tekanan uap bahan yang dilarutkan tak terhingga kecilnya.
Disamping itu perbedaan titik didih kedua komponen sangat besar. Oleh
kerana itu pada saat mendidih praktis hanya pelarut murni yang menguap,
sedangkan bahan padat yang sukar menguap akan tetap tinggal di dlam
larutan. Konsentrasi padatan (dengan demikian juga titk didih campuran) akan
terus naik. Larutan seperti ini sangat mudah dipisahkan dengan cara
penyulingan atau destilasi.
- Pendidihan dari larutan yang terdiri atas dua jenis cairan biasanya akan
menghasilkan uap dengan komposisi yang berbeda dari cairannya. Umunya
yang terjadi ialah uap itu diperkaya dengan komponen yang lebih mudah
menguap.
- Sedangkan konsentrasi komponen yang lebih sukar menguap dalam cairan
terus meningkat, demikian juga titik didih campuran. Semakin besar
perbedaan tekanan uap ata titik didih cairan-cairan yang akan dipisahkan,
semakin banyak kompone yang mudah menguap akan memperkaya uap, dan
semakin cepat campuran akan dipisahkan dengan cara destilasi sederhana.
Seabaliknya, jika beda tekanan uap atau titik didih kecil, pengayaan oleh
komponen yang mudah menguap hanya sedikit, dan biasanya pemisahan
hanya dapat dilakukan dengan cara rektifikasi. Campuran, yang komponen-
komponennya hanya memiliki beda tekanan uap atau titik didih yang kecil
sekali, tiidak dapat dipisahkan secara ekonomis, baik dengan cara destilasi
sederhana maupun dengan cara rektifikasi.
Faktor-faktor yang menentukan unjuk kerja penguapan terdapat dalam rumus
kuantitas
Kuantitas = Gaya pendorong x luas Waktu Tahanan
Yang berfungsi sebagai gaya pendorong ialah beda anatara tekanan uap dari
campuran yang harus dipisahkan dan tekanan sekelilingnya (atau tekanan uap dari
cairan yang jatuh dalam kondensor). Tekanan uap campuran dibangkitkan oleh panas
yang diberikan untuk proses penguapan. Sebagai luas permukaan adalah permukaan
cairan (untuk perpindahan massa) di satu pihak dan luas bidang pemanasan yang
efektif (untuk perpindahan panas) di lain pihak.
Tahanan terhadap penguapan misalnya adalah tebal lapisan campuran, tekanan
hidrostatik dalam campuran, juga kenaikan titik didih dan viskositas campuran karena
kenaikan konsentrasi.
Di samping penguapan pada tekanan normal, maka tekanan vakum merupakan proses
yang penting. Kondisi vakum menyebabkan titik didih campuran yang akan
dipisahkan turun, sehingga campuran dapat diuapkan pada sushu yang jauh lebih
rendah dibandingkan pada tekanan normal. Hal ini memungkinkan penanganan
secara hati-hati pada produk yang peka terhadap suhu atau yang mudah
terdekomposisi. Penguapan vakum juga memungkinkan penggunaan pemanas yang
lebih murah pada alat penguapan, meskipun hampir tidak dapat dilakukan
penghematan panas penguapan. Kerugian pada penguapan vakum adalah masih
diperlukannya alat-alat tambahan yang lebih rumit. Di samping itu viskositas cairan
lebih tinggi pada suhu yang reandah dan laju perpindahan panas lebih kecil. Kondisi
vakum maksimum yang dapat dicapai dalam suatu alat dibatasi oleh tekanan uap
cairan yang jatuh ke dalam kondenser atau alat pendigin.
Kuantitas panas yang diperlukan untuk penguapan, yaitu kebutuhan akan panas,
terdiri atas :
Panas untuk memanaskan campuran yang akan dipisahkan hingga mencapai
titik didih.
Panas penguapan, yaitu panas antuk mengubah cairan ke dalam fasa uap
(Panas ini harus dikeluarkan kembali dalam kondenser pada saat
kondensasi).
Panas yang hilang ke lingkungan (bila isolasi alat-alt itu baik, kuantitas
panas ini sangat sedikit).