Menguap dan mendidih

Di Leadville, Colorado, pada ketinggian sekitar 3100 m, tekanan udara sekitar 68 kPa dan air mendidih pada sekitar 90 °C.

Genangan mengering pada hari yang sejuk tanpa pernah mendekati 100 °C. Sebaliknya, air dalam panci di kompor tetap tenang sampai mulai bergelembung pada sekitar 100 °C. Keduanya adalah perubahan dari cair menjadi gas, tetapi prosesnya berbeda. Penguapan hanya terjadi di permukaan dan bisa berlangsung pada suhu berapa pun. Pendidihan terjadi di seluruh cairan, pada suhu tertentu yang bergantung pada tekanan di atasnya.

Penguapan dan tekanan uap

Dalam setiap cairan, molekul memiliki beragam kelajuan. Sebagian kecil molekul di permukaan bergerak cukup cepat untuk lepas dari molekul tetangganya dan keluar ke udara. Itulah penguapan. Karena molekul tercepat pergi lebih dahulu, energi rata-rata molekul yang tertinggal lebih rendah, sehingga cairan mendingin. Keringat bekerja dengan cara ini. OpenStax memperkirakan bahwa penguapan 1.5 L keringat di iklim panas membuang sekitar 3600 kJ kalor dari tubuh.

Dalam botol tertutup, molekul yang lepas berkumpul di atas cairan, dan sebagian menumbuk kembali cairan. Akhirnya, setiap detik jumlah molekul yang kembali sama dengan yang keluar. Tekanan uap saat itu disebut tekanan uap cairan. Nilainya bergantung pada zat dan suhu, bukan ukuran botol. Cairan dengan gaya tarik antarmolekul lemah memiliki tekanan uap tinggi: pada 20 °C, metanol memiliki tekanan uap 11.9 kPa dan etanol 5.95 kPa. Saat cairan dipanaskan, lebih banyak molekul memiliki cukup energi untuk lepas, sehingga tekanan uapnya naik.

Pendidihan bergantung pada udara di atas cairan

Cairan mendidih ketika tekanan uapnya sama dengan tekanan di sekitarnya. Saat itu gelembung uap dapat terbentuk di dalam cairan tanpa tertekan hingga mengempis. Titik didih normal adalah titik didih pada 1 atm, yaitu 101.3 kPa. Untuk air, nilainya 100 °C. Di pegunungan tinggi tekanan udara lebih rendah, sehingga air mendidih pada suhu lebih rendah: di Leadville, dengan tekanan sekitar 68 kPa, air mendidih pada sekitar 90 °C. Panci bertekanan melakukan kebalikannya. Panci memerangkap uap, menaikkan tekanan, dan memungkinkan air menjadi lebih panas dari 100 °C sebelum mendidih.

Perubahan menjadi gas memerlukan banyak energi, lebih besar daripada peleburan, karena seluruh gaya tarik dengan molekul tetangga harus diatasi, bukan sekadar dilonggarkan. Untuk air, entalpi penguapan adalah 44.01 kJ/mol pada 25 °C dan 40.67 kJ/mol pada titik didih. Bandingkan dengan 6.01 kJ/mol untuk meleburkan es: mendidihkan satu mol air memerlukan hampir tujuh kali energi untuk meleburkannya. Pengembunan, perubahan gas menjadi cair, melepaskan kembali energi itu. Itulah sebabnya luka bakar akibat uap lebih parah daripada akibat air pada suhu yang sama.

Tanpa melalui wujud cair

Sebagian zat padat langsung berubah menjadi gas. Inilah sublimasi. Es kering, yaitu karbon dioksida padat, perlahan menghilang pada suhu ruang tanpa meninggalkan genangan. Data NIST menunjukkan alasannya: karbon dioksida hanya bisa cair di atas 5.185 bar, sekitar lima kali tekanan udara normal. Jadi, pada 1 atm zat ini langsung berubah dari padat menjadi gas pada sekitar −78 °C. Entalpi sublimasinya adalah 26.1 kJ/mol. Perubahan sebaliknya, dari gas langsung menjadi padat, disebut deposisi atau pengkristalan. Bunga es di kaca mobil pada malam dingin dan cerah terbentuk dengan cara ini.