Fisika Sekolah Dasar dan Menengah Pertama · Grades 1–9
45Wujud Zat dan Perubahan Wujud
Enam tahun bergaul dengan zat padat yang mempertahankan bentuknya, zat cair yang terbaring mendatar, dan gas yang mengisi setiap sudut — dan tidak sekali pun kita bertanya mengapa. Tahun ini, fisika membuka tutupnya. Di bawah ketiga wujud itu bersembunyi salah satu gagasan terbesar yang pernah dimiliki manusia: segalanya, sungguh segalanya, terbuat dari partikel yang terlalu kecil untuk dilihat. Terimalah satu gagasan itu, dan aturan yang kamu kumpulkan sejak masa kecil menjelaskan dirinya sendiri dalam satu sapuan.
45.1 Gagasan yang besar
Definisi 45.1 (Molekul)
Semua materi terbuat dari molekul: partikel yang sangat kecil sampai tak terbayangkan, jauh di bawah apa yang dapat dilihat mata atau mikroskop sekolah mana pun. Setetes air saja memuat lebih banyak molekul daripada banyaknya tetes air di seluruh lautan. Setiap zat murni dibangun dari jenis molekulnya sendiri — air dari molekul air, besi dari partikel milik besi — dan molekul sebuah zat semuanya serupa.
Catatan 45.2 (Memercayai tanpa melihat)
Tidak seorang pun pernah mengamati satu molekul dengan mata telanjang — jadi mengapa memercayainya? Karena gagasan itu memperoleh kepercayaan: ia meramalkan, dengan benar, segala yang dimuat bab ini, dan bergunung-gunung lagi. Begitulah cara fisika menerima tamu yang tak terlihat: bukan atas dasar keyakinan, melainkan atas dasar kegunaan yang tak henti-hentinya. (Gambar langsung dari alat zaman sekarang yang menakjubkan akhirnya tiba seabad yang lalu — lama sesudah para fisikawan sudah yakin.)
Proposisi 45.3 (Model partikel bagi ketiga wujud)
Ketiga wujud itu adalah tiga susunan molekul yang sama:
- padat: molekulnya terkemas rapat dalam tumpukan yang tertib, masing-masing bergetar di tempatnya tetapi mempertahankan kedudukannya — karena itu bentuknya tetap;
- cair: molekulnya masih bersentuhan, tetapi tidak tertib dan bebas meluncur melewati satu sama lain — karena itu ia mengalir, dan permukaannya mendatar;
- gas: molekulnya berjauhan, terbang cepat ke segala arah, bertumbukan dan memantul — karena itu ia mengisi setiap sudut yang ditawarkan.
Contoh 45.4 (Enam tahun aturan, satu penjelasan)
Jalankan aturan lama itu lewat modelnya. Zat padat mempertahankan bentuknya: setiap molekul menjaga posnya. Zat cair mengambil bentuk wadahnya dan terbaring mendatar: kerumunan yang meluncur itu merosot sampai tidak ada molekul yang dapat meluncur lebih rendah. Gas mengisi seluruh ruang yang ditawarkan: tidak ada yang menahan para penerbang. Parfum yang menyeberangi ruangan: molekul gas yang terbang, bertumbukan, menyebar. Pasir yang mengucur seperti zat cair: bukan molekul yang meluncur, melainkan butiran — tiap butirnya sendiri zat padat mungil yang tertib berisi triliunan molekul.
45.2 Uji ruang kosong
Metode 45.5 (Dua alat suntik)
Modelnya mengaku bahwa molekul gas terbang berjauhan sedangkan molekul zat cair bersentuhan. Kalau begitu gas seharusnya dapat diperas, dan zat cair tidak. Ujilah:
- isilah alat suntik plastik dengan udara, tutup mulutnya dengan ujung jari, lalu doronglah penghisapnya: ia mengalah — kamu dapat memaruh ruang udaranya, sambil merasakan perlawanan yang kenyal;
- isilah alat suntik yang sama dengan air, tutup, lalu dorong: penghisapnya berdiri seperti dinding — air menolak menyusut walau sehelai rambut;
- lepaskan tiap penghisapnya: udaranya melenting kembali; airnya tidak pernah bergerak.
Proposisi 45.6 (Gas dapat dimampatkan; zat cair dan padat tidak)
Sebuah gas dapat dimampatkan — dipaksa masuk ke ruang yang lebih sedikit — karena sebagian besar isi gas adalah ruang kosong di antara molekul yang beterbangan. Zat cair dan zat padat praktis tidak dapat dimampatkan: molekulnya sudah bersentuhan, dan materi yang sudah bersentuhan tidak dapat dikemas lebih rapat oleh dorongan apa pun yang dapat diberikan tangan — atau sebuah kempa hidraulik.
Contoh 45.7 (Udara mampat dan pekerjaannya)
Pompa sepeda memeras beberapa ruangan penuh udara ke dalam sebuah ban — mungkin hanya karena udara sebagian besar kekosongan. Kerumunan yang termampatkan itu, dengan molekul yang menghantam dinding bannya lebih cepat dan lebih rapat, menahan sepedanya tetap tegak: dorongan sebuah gas adalah badai molekulnya. Tabung penyelam memampatkan persediaan napas sesore penuh ke dalam sebuah botol baja; sementara itu minyak rem yang tidak dapat dimampatkan membawa dorongan kakimu ke rodanya tanpa berkurang — tiap wujud dipekerjakan menurut bakatnya sendiri.
45.3 Perubahan wujud, dibaca ulang
Contoh 45.8 (Pintunya, molekul demi molekul)
Hangatkan sebuah zat padat dan molekulnya yang bergetar berguncang lebih keras; pada titik leburnya guncangannya membongkar tumpukan yang tertib — kerumunannya mulai meluncur: itulah peleburan. Hangatkan zat cairnya lebih lanjut dan molekul yang tercepat merobek diri sepenuhnya dari cengkeraman kerumunannya lalu terbang: itulah penguapan — dan pada titik didihnya pelariannya menjadi lari serempak dari dalam zat cairnya sendiri. Pendinginan memutar filmnya mundur: penerbang yang tertangkap (pengembunan), peluncur yang mengunci diri ke dalam barisannya (pembekuan). Enam pintu tahun lalu adalah satu kisah tentang cengkeraman molekul melawan guncangan molekul.
Contoh 45.9 (Hukum lama dengan cuma-cuma)
Dua hukum yang dahulu diraih dengan susah payah kini datang dengan cuma-cuma. Massa selamat melewati perubahan wujud: peleburan menyusun ulang molekulnya tetapi tidak menciptakan maupun memusnahkan satu pun — partikel yang sama, massa yang sama. Dataran suhu: pada titik leburnya, kehangatan yang masuk habis dipakai memecahkan cengkeraman tumpukannya, molekul demi molekul, bukan untuk guncangan yang lebih cepat — termometernya menunggu sampai barisan yang terakhir terpecah. Apa yang ditemukan pengukuran, dijelaskan modelnya.
Catatan 45.10 (Penggembungan air yang aneh)
Bahkan penggembungan air yang aneh ketika membeku pun ikut bergabung: molekul air kebetulan mengunci diri ke dalam tumpukan yang luar biasa lapang — kisi terbuka dengan ruang kosong lebih banyak daripada yang tadi dimiliki kerumunan yang meluncur. Tumpukan yang lebih lapang, ruang lebih banyak, massa jenis lebih kecil: es terapung di atas zat cairnya sendiri. Kebanyakan zat menumpuk lebih rapat daripada ketika meluncur; tata bangunan air adalah kekecualian yang indah.
45.4 Kalor, dilihat dari dalam
Proposisi 45.11 (Suhu dan gerak molekul)
Suhu mengukur kelincahan gerak molekul: makin panas sebuah zat, makin cepat molekulnya bergetar, meluncur, atau terbang. Kalor yang mengalir dari panas ke dingin adalah kerumunan yang lincah menenangkan diri selagi ia membangkitkan kerumunan yang lamban — tumbukan demi tumbukan — sampai keduanya berbagi satu langkah: satu suhu. Hukum menurun tentang kalor yang lama itu adalah tenis meja molekul.
Contoh 45.12 (Dingin bukan sebuah zat)
Modelnya memensiunkan godaan lama untuk selamanya: tidak ada yang bernama “dingin” yang pernah mengalir. Yang ada hanyalah gerak molekul yang lebih lambat dan lebih cepat; yang lincah meminjamkan kelincahan, tidak pernah sebaliknya. Pada keadaan terdingin yang dapat dibayangkan — molekul sediam yang diizinkan alam — terletak lantai suhu yang sejati, jauh di bawah lemari beku mana pun; bilangannya yang aneh dan termasyhur menjadi milik jilid Sekolah Menengah.
45.5 Latihan
Latihan 45.1 ★
Nyatakan gambaran model partikel bagi masing-masing ketiga wujudnya, satu baris untuk masing-masing.
Solusi
Solusi Latihan 45.1.
Padat: molekulnya terkemas dalam tumpukan yang tertib, bergetar di tempatnya. Cair: molekulnya bersentuhan tetapi tidak tertib, meluncur melewati satu sama lain. Gas: molekulnya berjauhan, terbang cepat ke segala arah.
Latihan 45.2 ★
Mengapa zat padat mempertahankan bentuknya sementara zat cair mengambil bentuk wadahnya? Jawablah dengan molekul, bukan dengan aturan.
Solusi
Solusi Latihan 45.2.
Pada zat padat setiap molekul menjaga posnya di dalam tumpukannya, sehingga keseluruhannya mempertahankan bentuknya. Pada zat cair molekulnya meluncur dengan bebas melewati satu sama lain sambil tetap bersentuhan: kerumunannya merosot menyesuaikan wadahnya, sampai tidak ada yang dapat meluncur lebih rendah — itulah permukaan yang mendatar.
Latihan 45.3 ★
Pada uji alat suntik, mengapa udaranya mengalah lalu melenting kembali, sementara airnya berdiri seperti dinding?
Solusi
Solusi Latihan 45.3.
Udara sebagian besar berupa ruang kosong di antara molekul yang beterbangan: mendorong mengemas para penerbangnya lebih rapat (dan hantaman mereka melawan — itulah pegasnya). Molekul air sudah bersentuhan; tidak ada kekosongan yang dapat diperas keluar, sehingga penghisapnya bertemu dinding.
Latihan 45.4 ★
Sebuah pompa sepeda memampatkan banyak ruangan penuh udara ke dalam satu ban. Apa yang dibuktikan hal ini tentang jarak antarmolekul gas? Dapatkah sebuah pompa melakukan hal yang sama dengan air?
Solusi
Solusi Latihan 45.4.
Bahwa molekul gas terbang berjauhan dengan kekosongan yang besar di antaranya — beberapa ruangan penuh dapat dikemas menjadi satu. Air, yang molekulnya sudah bersentuhan, tidak dapat dimampatkan: tidak ada pompa yang mengemasnya lebih rapat.
Latihan 45.5 ★
Ceritakan kisah peleburan dalam bahasa molekul: apa yang dilakukan kehangatannya, dan apa yang patah pada titik leburnya?
Solusi
Solusi Latihan 45.5.
Kehangatan membuat molekul yang bertumpuk itu bergetar makin keras dan makin keras; pada titik leburnya getarannya mengalahkan cengkeraman tumpukannya, barisannya patah, dan molekulnya mulai meluncur: zat padatnya telah menjadi zat cair.
Latihan 45.6 ★
Mengapa massa selamat melewati setiap perubahan wujud, menurut modelnya? Apa yang harus terjadi pada molekulnya supaya massanya hilang?
Solusi
Solusi Latihan 45.6.
Perubahan wujud hanya menyusun ulang molekul yang sama — tidak ada yang diciptakan atau dimusnahkan, sehingga massanya tidak mungkin berubah. Kehilangan massa akan menuntut molekulnya lenyap (atau lolos dari wadahnya — tanda bahaya palsu milik botol yang tidak tertutup).
Latihan 45.7 ★
Apa yang diukur suhu, menurut modelnya? Gambarkan aliran menurun kalor sebagai tenis meja molekul.
Solusi
Solusi Latihan 45.7.
Kelincahan gerak molekul. Ketika yang panas menyentuh yang dingin, molekul yang lincah menghantam molekul yang lamban, sambil menyerahkan kelincahannya tumbukan demi tumbukan — yang lincah menjadi tenang, yang lamban menjadi cepat — sampai kedua kerumunannya berbagi satu langkah: suhu yang sama.
Latihan 45.8 ★
Parfum yang dibuka di satu ujung ruangan yang tenang tercium di ujung yang lain semenit kemudian. Jelaskan perjalanannya — dan mengapa embusan angin mempercepatnya.
Latihan 45.9 ★★
Penguapan mendinginkan apa yang ditinggalkannya: keringat menyejukkan kulitmu, dan jari basah yang diangkat merasakan sisi angin yang dingin. Jelaskan dengan pelarian molekul yang tercepat — kerumunan macam apa yang tertinggal?
Solusi
Solusi Latihan 45.9.
Hanya molekul yang tercepat yang dapat merobek diri dari cengkeraman zat cairnya, sehingga penguapan adalah pajak atas kelincahan: para pelariannya membawa pergi lebih daripada jatahnya, dan kerumunan yang tertinggal, secara rata-rata, lebih lambat — artinya lebih sejuk. Keringat dan jari yang basah menyejuk dengan mengekspor yang terlincah.
Latihan 45.10 ★★
Sebuah balon tertutup yang ditinggalkan di bawah matahari musim panas menggembung; di lemari es ia mengempis. Banyaknya molekul di dalamnya tidak pernah berubah. Jelaskan kedua perubahannya dengan kelajuan molekul dan badai yang menghantam dindingnya.
Solusi
Solusi Latihan 45.10.
Di bawah matahari molekul yang terperangkap itu terbang lebih cepat lalu menghantam kulitnya lebih keras dan lebih sering: badainya menggembungkan balonnya sampai kulit yang teregang mengimbanginya. Di tempat yang dingin molekul yang sama melambat, hantamannya melemah, dan dorongan udara di luarnya menghimpit balonnya menjadi lebih kecil.
Latihan 45.11 ★★
Mengapa es terapung, dalam bahasa molekul? Apa yang tidak biasa pada tumpukan yang dibangun molekul air, dan apa yang akan dilakukan kolam pada musim dingin kalau air menumpuk seperti zat yang biasa?
Solusi
Solusi Latihan 45.11.
Air yang membeku mengunci diri ke dalam tumpukan yang luar biasa lapang dan terbuka — ruang kosongnya lebih banyak daripada yang tadi dimiliki kerumunan yang meluncur — sehingga es memakai ruang lebih banyak untuk molekul yang sama: massa jenisnya di bawah massa jenis zat cairnya, dan ia terapung. Seandainya air biasa saja, es akan menumpuk rapat, tenggelam selagi terbentuk, dan kolam akan membeku dari dasar ke atas — tanpa sisa air yang terlindung bagi ikannya.
Latihan 45.12 ★★★
Setetes tinta yang dilepaskan pelan-pelan di dasar segelas air yang tenang perlahan menyebar, selama berjam-jam, sampai seluruh airnya berwarna biru samar — tanpa diaduk, tanpa arus. Jelaskan apa yang diungkapkan penyebaran yang sabar itu tentang molekul sebuah zat cair — baik molekul airnya maupun molekul tintanya — dan mengapa tetes yang sama menyebar lebih cepat di air yang hangat. (Pengamatan sederhana ini termasuk bukti awal yang besar bagi seluruh gagasan molekul.)
Solusi
Solusi Latihan 45.12.
Tidak ada yang mengaduk airnya, namun tintanya bepergian: molekul zat cairnya sendiri bergerak tanpa henti, mendorong-dorong molekul tintanya langkah acak demi langkah acak menembus kerumunannya — kedua zat cairnya hidup oleh gerak pada setiap saat, bahkan ketika gelasnya tampak sempurna tenang. Kehangatan mempercepat tiap dorongannya, sehingga penyebarannya bergegas. Tinta yang sabar dengan demikian membuat tarian yang tak terlihat menjadi terlihat — bukti yang meyakinkan para peragu tentang molekul itu sendiri.
45.6 Soal: Teater Molekul
Soal 45.1
Soal akhir pekan — kelas mementaskan model partikel di gedung olahraga; murid sebagai molekul, wujud sebagai koreografi; pertanyaan para pengkritik
Kelas fisika mementaskan materi itu sendiri: tiga puluh murid memerankan molekul sebuah zat, dan gedung olahraganya menjadi wadahnya.
Bagian I — Tiga babak.
- Babak pertama, zat padat: bagaimana ketiga puluhnya harus berdiri, dan gerak kecil apa yang harus terus dilakukan masing-masing? Apa yang tidak boleh dilakukan satu pun di antaranya?
- Babak kedua, zat cair: apa yang berubah pada susunannya, dan kebebasan baru apa yang muncul? Apa yang masih harus terus dilakukan para muridnya, yang nanti dihapus oleh babak gasnya?
- Babak ketiga, gas: gambarkan koreografinya — lalu katakan mengapa babak ini memerlukan seluruh gedung olahraga sementara kedua babak pertama berdesak di satu sudut.
- Penontonnya bertanya: “Apakah ketiga puluh muridnya sama pada ketiga babaknya?” Hukum mana dari tahun lalu yang dipentaskan oleh jawabannya?
Bagian II — Para pengkritik menguji sandiwaranya.
- Seorang pengkritik mendorong pelan kerumunan pada babak gasnya, dan menggiringnya ke separuh gedung. Apakah babaknya mengizinkannya? Dan dorongan yang sama pada desakan babak zat cairnya? Sebutkan proposisi yang sedang dipentaskan.
- Untuk mementaskan peleburan, sutradaranya memutar tombol kalor khayalan. Apa yang harus makin banyak dilakukan murid pada babak padatnya, dan pada saat apa babaknya sah menjadi babak zat cair?
- Sandiwaranya harus menunjukkan dataran peleburannya: selama perubahannya berlangsung, energi tombol kalornya dibelanjakan untuk apa — dan apa yang harus dilaporkan “pengkritik termometer” tentang kelincahan rata-rata muridnya selama itu?
- Pentaskan penguapan dari babak zat cairnya: murid yang mana yang meninggalkan desakannya — sembarang saja, atau jenis tertentu? Apa yang terjadi pada kelincahan rata-rata desakannya selagi mereka pergi, dan rasa sejuk sehari-hari apa yang dijelaskannya?
Bagian III — Efek khusus.
- Efek balon: babak gasnya dipagari murid yang memegang lingkaran tali (kulit balonnya). Apa yang dilakukan para pemeran molekul terhadap talinya, dan apa yang terjadi pada lingkarannya ketika para pemerannya bergerak lebih cepat?
- Pembekuan air yang aneh harus dipentaskan. Petunjuk yang tidak biasa tentang jarak apa yang diberikan sutradaranya kepada tumpukan pada babak padatnya, dan kenyataan terapung apa yang dijelaskannya?
- Babak penutup tetes tinta: seorang murid berbaju biru mulai di sebuah sudut pada babak zat cair. Tanpa dorongan sutradara apa pun, bagaimana baju biru itu berakhir jauh dari sudutnya — dan mengapa lebih cepat kalau tombol kalornya dinaikkan?
- Tulislah catatan acaranya: dalam tiga kalimat, katakan satu gagasan apa yang dipentaskan seluruh sandiwaranya, sebutkan dua hukum lama yang dijelaskannya dengan cuma-cuma, dan akuilah dengan jujur apa yang tidak dapat ditunjukkan babak mana pun (betapa kecil dan betapa banyak para pemeran yang sesungguhnya).
Solusi
Solusi Soal 45.1.
1. Dalam barisan yang rapi, bahu bertemu bahu, masing-masing bergoyang di tempatnya — dan tidak seorang pun boleh bertukar tempat atau meninggalkan posnya. 2. Barisannya larut: para muridnya tetap bahu bertemu bahu (bersentuhan!) tetapi kini menganyam dan meluncur melewati satu sama lain. Mereka masih harus menjaga sentuhan dengan kerumunannya — tidak seorang pun boleh berlari bebas. 3. Para muridnya berhamburan, berlari cepat dan lurus sampai mereka bertumbukan atau menabrak dinding, lalu memantul tanpa henti — dan karena tidak ada yang menahan mereka bersama, hanya dindingnya yang menghentikan mereka: kerumunannya menuntut setiap sudut yang ditawarkan gedungnya. 4. Ya — ketiga puluh yang sama pada setiap babaknya: massa selamat melewati perubahan wujud, yang dipentaskan. 5. Babak gasnya mengizinkannya — para pelarinya berdesak masuk ke separuh gedungnya (dan menghantam para penggiringnya lebih keras). Desakan zat cairnya tidak dapat menyusut: para muridnya sudah bersentuhan. Yang dipentaskan: gas dapat diperas, zat cair tidak. 6. Bergoyang makin keras dan makin keras di posnya; babaknya menjadi zat cair pada saat goyangannya membongkar barisannya dan para muridnya mulai meluncur melewati satu sama lain. 7. Energi tombolnya dibelanjakan untuk memecahkan cengkeraman tumpukannya — barisan demi barisan — bukan untuk gerak yang lebih cepat: pengkritik termometernya harus melaporkan kelincahan rata-rata yang tidak berubah sampai barisan yang terakhir patah. Dataran suhunya, yang dipentaskan. 8. Murid yang tercepat — hanya merekalah yang dapat merobek diri. Kelincahan rata-rata desakan yang tersisa turun: zat cairnya menyejukkan dirinya sendiri dengan menguap, tepat rasa sejuk milik keringat dan jari yang basah. 9. Para pemerannya terus bertumbukan dengan talinya lalu mendorongnya ke luar; pemeran yang lebih cepat mendorong lebih keras dan lebih sering, dan lingkarannya menggembung — itulah balon di bawah matahari. 10. “Bertumpuklah dalam susunan yang terbuka — sepanjang lengan, lapang”: zat padat air memakai ruang lebih banyak daripada zat cairnya, sehingga rakit babak esnya akan terapung di atas kerumunan babak zat cairnya. 11. Baju birunya didorong-dorong — disenggol langkah acak demi langkah acak menembus kerumunan yang meluncur sampai ia mengembara ke mana-mana: itulah tinta yang membaur. Naikkan tombolnya dan tiap dorongannya mempercepat, sehingga pengembaraannya bergegas. 12. Misalnya: “Sandiwara malam ini mementaskan satu gagasan: semua materi adalah molekul yang bergerak. Kalau itu diterima, dua hukum lama datang cuma-cuma — massa yang selamat melewati setiap perubahan wujud, dan dataran peleburannya. Yang tidak dapat kami pentaskan adalah ukurannya: pemeran yang sesungguhnya lebih kecil daripada penglihatan mana pun dan lebih banyak daripada seluruh penonton di dunia.”