Fisika Sekolah Dasar dan Menengah Pertama · Grades 1–9

39Air dalam Segala Wujudnya

Kamu sudah memburu air melewati wujud-wujudnya sejak tahun kedua sekolahmu: es, air, uap; manusia salju yang mencair dan jendela yang berkabut. Tahun ini perburuannya berubah menjadi pembukuan. Ketika es mencair, adakah zat yang hilang? Ketika air membeku, mengapa pipa pecah? Dengan neraca dan gelas ukur di tangan, kita mengaudit ketiga wujud air.

39.1 Ketiga wujud, dengan label yang benar

Definisi 39.1 (Enam perubahan wujud)

Di antara ketiga wujudnya, air punya enam pintu, masing-masing dengan nama ilmiahnya:

padat $\to$ cair: peleburan; cair $\to$ padat: pembekuan (atau pemadatan);
cair $\to$ gas: penguapan — menderu cepat ketika mendidih, tenang dan sejuk ketika berlangsung dari permukaan; gas $\to$ cair: pengembunan;
padat $\to$ gas langsung: sublimasi, dan gas $\to$ padat langsung — pintu yang lebih langka, tetapi nyata: bulu embun beku pada jendela yang membeku tumbuh langsung dari uap yang tak terlihat, dengan melewatkan wujud cairnya sama sekali.

Enam pintu milik air, dengan namanya yang benar. Kehangatan menggerakkan pintu yang merah; dingin menggerakkan yang biru.

Contoh 39.2 (Pintu di sekelilingmu)

Embun beku pagi hari yang mencair dari rumput; cucian yang menguap di jemuran; cermin dingin yang mengembunkan uap mandimu; lemari beku yang membekukan bongkahan es untuk besok; bulu embun beku yang tumbuh semalaman di kaca jendela. Satu zat, enam pintu, semuanya dalam sehari kehidupan biasa — namailah, dan kamu memilikinya.

39.2 Audit: adakah zat yang hilang?

Metode 39.3 (Menimbang sebuah perubahan wujud)

Ajukan pertanyaannya kepada neraca:

tuangkan sedikit air ke dalam botol plastik kecil, putar tutupnya sampai rapat, keringkan bagian luarnya;
timbanglah: misalkan $368\,\mathrm{g}$ — catatlah;
baringkan di lemari beku semalaman: pembekuan;
timbanglah botol yang membeku itu segera (lapkan dulu embun bekunya).

Neracanya menjawab: $368\,\mathrm{g}$ , sampai ke gramnya. Cairkan kembali di ambang jendela lalu timbang lagi: $368\,\mathrm{g}$ . Wujudnya berubah dua kali; zatnya tidak pernah berkedip.

Proposisi 39.4 (Massa selamat melewati perubahan wujud)

Perubahan wujud mengubah penampilan sebuah zat, bukan banyaknya: massa sebelumnya sama persis dengan massa sesudahnya. Melebur, membeku, mendidih di dalam panci tertutup, mengembun — lewat setiap pintu, neracanya membaca hal yang sama. (Tetapi biarkan tutupnya terbuka, dan uapnya melayang pergi bersama gramnya: zatnya tetap ada, tetapi auditmu tidak lagi memuatnya.)

Contoh 39.5 (Ke mana gram genangannya pergi)

Sebuah genangan $300\,\mathrm{g}$ mengering. Lenyap? Tidak berbobot? Bukan: $300\,\mathrm{g}$ air kini menunggangi udara sebagai uap yang tak terlihat, setiap gramnya utuh — sebagian akan jatuh sebagai hujan minggu depan. Penguapan menipu mata, tidak pernah menipu pembukuan. Garis kapur pada percobaan genangan masa kecilmu adalah sebuah audit; sekarang ia punya bilangan.

39.3 Audit: apakah ruangnya tetap?

Proposisi 39.6 (Air mengembang ketika membeku)

Massa selamat melewati pintunya — volume tidak. Air adalah zat yang aneh: ketika menjadi padat, ia mengembang. Satu liter air menjadi kira-kira $1.1$ liter es: massa yang sama, ruang yang kira-kira sepersepuluh lebih banyak. Kebanyakan zat menyusut ketika memadat; air justru menggembung — dan keanehan itu menggambar ulang bentang alam.

Botol yang membeku: neracanya tidak berubah, permukaannya lebih tinggi. Membeku menjaga zatnya dan menuntut ruang lebih banyak.

Contoh 39.7 (Pipa yang pecah dan gunung yang retak)

Kalau terlupakan di lemari beku, botol kaca berisi penuh air akan retak: es yang menggembung memerlukan tambahan sepersepuluh ruangnya dan mengambilnya, ada kaca atau tidak. Musim dingin melakukan hal yang sama pada perpipaan — air yang membeku di dalam pipa memecahkannya sepasti palu — dan pada pegunungan: hujan merembes ke celah batu, membeku pada malam hari, menggembung, lalu memaksa celahnya melebar. Tahun demi tahun, beku demi beku, penggembungan kecil yang aneh pada Proposisi 39.6 membelah bongkah batu dan meruntuhkan puncak.

Catatan 39.8 (Mengapa es terapung)

Keanehan yang sama menjawab pertanyaan yang kamu ajukan bertahun-tahun lalu waktu mandi. Es menyimpan zat seliter di dalam ruang $1.1$ liter: untuk ruang yang sama, es lebih ringan daripada air — jadi es terapung di atas zat cairnya sendiri. Gunung es menunggangi laut, kolam membeku dari atas ke bawah (menyelamatkan ikan di bawahnya), dan bongkahan es di limunmu terapung alih-alih tenggelam. Sedikit zat yang terapung di atas dirinya sendiri; kehidupan di kolam yang membeku bersyukur bahwa air melakukannya.

39.4 Daur air, diaudit

Contoh 39.9 (Perjalanan besar bolak-balik, dengan kosakatanya)

Kisah masa kecil tentang laut, awan, dan hujan kini terbaca seperti buku besar. Kehangatan Matahari menggerakkan penguapan dari laut — berton-ton naik tanpa terlihat. Tinggi dan dingin, uapnya mengembun menjadi tetes awan; makin dingin lagi, tetesnya membeku menjadi salju. Salju menumpuk menjadi gletser; gletser melebur menjadi sungai; sungai mengembalikan setiap gramnya ke laut. Di sepanjang seluruh lingkarnya, Proposisi 39.4 tetap berlaku: planet ini tidak bertambah maupun kehilangan setetes pun — air di gelasmu sudah mengarungi lingkar ini sejak sebelum zaman dinosaurus.

Bulu embun beku pada kaca jendela yang membeku: air dari udara membangun es ini semalaman, langsung pada kacanya.

39.5 Latihan

Latihan 39.1 ★

Sebutkan keenam pintu pada Definisi 39.1, masing-masing dengan satu penampakan sehari-hari.

Solusi

Solusi Latihan 39.1.

Peleburan (embun beku yang lepas dari rumput pagi); pembekuan (bongkahan es di lemari beku); penguapan (cucian yang mengering, panci yang mendidih); pengembunan (kabut pada cermin yang dingin); sublimasi (timbunan salju yang menyusut pada embun beku yang kering); gas ke padat secara langsung (bulu embun beku pada kaca jendela).

Latihan 39.2 ★

Pintu yang mana: embun yang terbentuk pada rumput dingin saat fajar? manusia salju yang menyusut pada hari $-5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ yang cerah, tanpa munculnya genangan? bongkahan es yang mengaburkan lemari beku dengan “asap”?

Solusi

Solusi Latihan 39.2.

Embun: pengembunan. Manusia salju yang menyusut tanpa genangan: sublimasi — dari padat langsung menjadi uap di udara dingin yang kering. “Asap” lemari beku: pengembunan — uap ruangan yang mengembun menjadi awan kecil di udara yang dingin (tetes, bukan gas).

Latihan 39.3 ★

Sebuah botol air tertutup rapat beratnya $412\,\mathrm{g}$ . Ia membeku padat semalaman. Berapa beratnya sekarang, dan proposisi mana yang menjawab?

Solusi

Solusi Latihan 39.3.

Tetap $412\,\mathrm{g}$ : massa selamat melewati perubahan wujud — botol yang tertutup rapat itu tidak kehilangan maupun mendapat apa pun.

Latihan 39.4 ★

Pada Metode 39.3, mengapa botolnya harus tertutup — dan mengapa dikeringkan sebelum tiap penimbangan?

Solusi

Solusi Latihan 39.4.

Ditutup, supaya tidak ada uap yang melayang pergi bersama gramnya (auditnya harus tetap tertutup); dikeringkan, karena air atau embun beku dari luar yang menempel akan menambahkan gram asing yang menjadi milik ruangan, bukan milik auditnya.

Latihan 39.5 ★

Sepanci air mendidih tanpa tutup selama sepuluh menit dan massanya berkurang $200\,\mathrm{g}$ . Apakah massanya dimusnahkan? Di mana gram itu sekarang?

Solusi

Solusi Latihan 39.5.

Tidak dimusnahkan: $200\,\mathrm{g}$ air pergi sebagai uap lewat udara dapur — penguapan memindahkan gramnya keluar dari pancinya, bukan keluar dari dunia.

Latihan 39.6 ★

Satu liter air masuk ke lemari beku. Kira-kira berapa volume es yang keluar? Pertanyaan yang sama untuk massanya.

Solusi

Solusi Latihan 39.6.

Kira-kira $1.1\,\mathrm{L}$ es — ruangnya sepersepuluh lebih banyak. Massanya tidak berubah: $1\,\mathrm{kg}$ masuk, $1\,\mathrm{kg}$ keluar.

Latihan 39.7 ★

Mengapa pipa air pecah pada musim dingin yang keras — dan mengapa tukang kebun mengosongkan keran luar rumahnya pada musim gugur?

Solusi

Solusi Latihan 39.7.

Air yang terperangkap di dalam pipa menggembung ketika membeku, dan pipanya, seperti botol kaca itu, menyerah. Tukang kebun mengosongkan keran pada musim gugur supaya tidak ada apa pun yang tertinggal di dalamnya untuk menggembung.

Latihan 39.8 ★

Mengapa es terapung di atas air? Hubungkan Proposisi 39.6 dengan aturan terapung — lebih ringan atau lebih berat untuk ruang yang sama?

Solusi

Solusi Latihan 39.8.

Es memampatkan zat seliter ke dalam ruang $1.1$ liter: lebih ringan daripada air untuk ruang yang sama — dan lebih-ringan-untuk-ruang- yang-sama itulah yang tepat membuat sesuatu terapung.

Latihan 39.9 ★★

Ceritakan daur air sebagai buku besar: ikutilah $1\,\mathrm{kg}$ air laut mengelilingi lingkar penuhnya, sambil menyebutkan tiap pintu yang dilewatinya dan menyatakan massanya pada setiap tahap.

Solusi

Solusi Latihan 39.9.

Laut ( $1\,\mathrm{kg}$ , cair) — penguapan — uap ( $1\,\mathrm{kg}$ ) — pengembunan — tetes awan ( $1\,\mathrm{kg}$ ) — pembekuan — salju ( $1\,\mathrm{kg}$ ) — peleburan — air lelehan ( $1\,\mathrm{kg}$ ) — sungai menuju laut ( $1\,\mathrm{kg}$ ). Enam tahap, satu massa yang tidak berubah.

Latihan 39.10 ★★

Sebuah gelas limun diisi sampai ke bibirnya, dengan bongkahan es yang terapung. Seorang tamu khawatir gelasnya akan melimpah ketika esnya mencair. Pakailah kedua audit itu (massa tetap, ruang tambahan es dikembalikan) untuk menenangkan — atau justru mencemaskan — tamu itu, lengkap dengan alasanmu.

Solusi

Solusi Latihan 39.10.

Tenangkanlah. Es yang terapung itu sudah mendesak limun seberat beratnya sendiri; ketika mencair ia mengembalikan tepat air itu, yang menyusut kembali sebanyak sepersepuluh yang tadi menggembung — airnya menyelinap ke dalam ruang yang tadi sudah dipakai bongkahannya di bawah permukaan. Gelasnya tetap penuh sampai ke bibirnya, tanpa melimpah setetes pun.

Latihan 39.11 ★★

Bulu embun beku muncul pada kaca jendela yang membeku semalaman di ruangan yang kering, tanpa hujan dan tanpa kaca yang basah menjelang tidur. Pintu mana yang diambil airnya, dari mana, dan mengapa nama pintu ini bukan “pembekuan”?

Solusi

Solusi Latihan 39.11.

Pintu gas-ke-padat: uap yang tak terlihat dari udara ruangan menyentuh kaca yang membeku lalu membangun es secara langsung, dengan melewatkan wujud cairnya. Namanya bukan “pembekuan” karena tidak pernah ada zat cair di kaca itu — airnya tiba langsung dari wujud uapnya.

Latihan 39.12 ★★★

Kolam membeku dari atas ke bawah. Jelaskan seluruh rantainya: mengapa es dari air yang paling dingin terbentuk di permukaan lalu tinggal di sana, apa yang dilakukan tutup terapung itu terhadap aliran kalor di bawahnya (gagasan isolasi dari tahun lalu), dan mengapa ikan di bawahnya berutang musim dinginnya kepada penggembungan air yang aneh itu.

Solusi

Solusi Latihan 39.12.

Kolamnya kehilangan kalor ke udara musim dingin di permukaannya, sehingga air permukaannya mencapai $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ lebih dahulu dan esnya terbentuk di sana — lalu terapung, karena lebih ringan daripada air untuk ruang yang sama, sehingga ia tinggal di atas. Tutup es (dan salju) itu adalah jalur lambat: ia mengisolasi air di bawahnya, yang kalornya kini bocor ke atas hanya dengan pelan. Air yang dalam melayang di atas titik beku sepanjang musim dingin, dan ikannya berenang di bawah atap yang dibangunkan oleh airnya yang aneh dan menggembung itu.

39.6 Soal: Sekilogram Keliling Dunia

Soal 39.1

Soal akhir pekan — sekilogram air laut dalam lawatan besarnya; enam pintu, tiga gunung, satu buku besar yang tidak pernah putus

Kita cap sebuah label khayalan pada $1\,\mathrm{kg}$ air laut lalu mengikutinya selama setahun.

Bagian I — Naik.

Bulan Juni: Matahari menghangatkan permukaan laut dan sekilogram kita naik ke udara, tanpa terlihat. Sebutkan pintu yang diambilnya.
Berapa massa sekilogram air kita (yang kini tak terlihat) itu? Proposisi mana yang menjaminnya?
Pada ketinggian $3000\,\mathrm{m}$ , udaranya dingin: airnya menjadi awan berisi tetes. Sebutkan pintu ini.
Makin dingin lagi, tetesnya menjadi kepingan salju. Sebutkan pintu itu — pembekuan — lalu nyatakan suhu ketika tetes awan berisi air murni mulai membeku.

Bagian II — Buku besar sang gletser. Sekilogram kita mendarat di sebuah gletser lalu dipadatkan menjadi es gletser.

Sebagai air, sekilogram kita memakai $1\,\mathrm{L}$ . Kira-kira berapa volume yang dipakainya sebagai es?
Moncong gletsernya melebur pada musim panas. Sekilogram kita menjadi air lelehan: berapa massanya sekarang, dan berapa volumenya (kembali sebagai air cair)?
Dalam perjalanan turun gunung, $250\,\mathrm{g}$ dari sekilogram kita menguap dari kolam air terjun yang terkena matahari. Berapa banyak air berlabel itu yang melanjutkan perjalanan sebagai zat cair di dalam sungai?
Apakah seperempat yang menguap itu sudah meninggalkan auditnya? Katakan di mana $250\,\mathrm{g}$ -nya berada, dan pintu apa yang paling mungkin diambilnya berikutnya.

Bagian III — Pulang, dan bukunya diseimbangkan.

$750\,\mathrm{g}$ milik sungainya mencapai laut pada bulan Oktober. $250\,\mathrm{g}$ yang menguap tadi jatuh sebagai hujan di pesisir pada bulan Agustus lalu mengalir ke laut pada bulan September. Jumlahkan berapa banyak sekilogram kita yang diterima kembali oleh lautnya.
Di sepanjang seluruh lawatannya, sekilogram kita tidak pernah sekali pun kehilangan beratnya — tetapi ia tak terlihat dua kali. Pada tahap yang mana, dan dalam wujud apa?
Seorang teman sekelas membantah: “Salju itu gembur dan ringan — pasti sekilogram itu beratnya berkurang ketika menjadi salju.” Uraikan kekeliruannya dengan sepasang kata yang tepat dari tahun ini.
Tulislah lawatan itu sebagai rantai pintu, berurutan, dengan hanya memakai keenam nama yang benar pada Definisi 39.1.

Solusi

Solusi Soal 39.1.

1. Penguapan (dari permukaan yang hangat). 2. Tetap $1\,\mathrm{kg}$ — massa selamat melewati perubahan wujud. 3. Pengembunan. 4. Pada $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . 5. Kira-kira $1.1\,\mathrm{L}$ . 6. Massanya $1\,\mathrm{kg}$ ; volumenya kembali ke $1\,\mathrm{L}$ . 7. $1000 - 250 = 750\,\mathrm{g}$ melanjutkan perjalanan di dalam sungainya. 8. Tidak: $250\,\mathrm{g}$ itu menunggangi udara sebagai uap, utuh; pintu berikutnya yang paling mungkin adalah pengembunan — menjadi awan, lalu hujan. 9. $750 + 250 = 1000\,\mathrm{g}$ : seluruh sekilogramnya pulang. 10. Dua kali tak terlihat: sebagai uap sesaat sesudah meninggalkan laut, dan sebagai uap lagi di atas kolam air terjunnya — keduanya dalam wujud gas. 11. Gembur itu tentang volume: salju adalah hablur es yang berjalin dengan udara, sehingga memakai ruang dengan murah hati. Massa air berlabel kita tetap tepat $1\,\mathrm{kg}$ — ringan-tiap-ruang bukanlah ringan-dalam-zat: sepasang katanya adalah massa dan volume. 12. Penguapan, pengembunan, pembekuan, peleburan — dan untuk seperempat yang menguap: penguapan, pengembunan (hujan), lalu bergabung kembali sebagai zat cair. Empat pintu dipakai; sublimasi dan pintu gas-ke-padat tidak diperlukan pada lawatan ini.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Enam perubahan wujud

Lihat semua 393 istilah di glosarium