Kalor peleburan

Kalor peleburan atau entalpi peleburan adalah perubahan entalpi yang dihasilkan dari penyediaan energi, biasanya bahang, kepada kuantitas tertentu suatu zat untuk mengubah keadaannya dari padat menjadi cair pada tekanan konstan. Energi ini meliputi kontribusi yang diperlukan untuk membuat ruang untuk perubahan volume terkait dengan mengganti lingkunannya dengan tekanan ambien. Suhu ketika terjadi transisi fasa disebut titik lebur atau titik leleh. Berdasarkan konvensi, tekanan diasumsikan sebagai 1 atm (101,325 kPa) kecuali bila disebut lain.

'Entalpi' peleburan adalah panas laten, karena, selama pelelehan, masuknya panas tidak dapat diamati sebagai perubahan suhu, oleh karena suhu tetap konstan selama proses tersebut. Panas laten peleburan adalah perubahan entalpi berapapun dari suatu zat ketika ia meleleh. Ketika panas peleburan dirujuk kepada satuan massa, ia biasanya disebut panas peleburan spesifik (bahasa Inggris:specific heat of fusion), sementara panas peleburan molar (bahasa Inggris:molar heat of fusion) merujuk pada perubahan entalpi per jumlah zat dalam satuan mol.

Fasa cair memiliki energi internal lebih besar daripada fasa padat. Ini berarti energi harus dipasok ke padatan untuk melelehkannya dan energi dilepaskan dari cairan ketika ia membeku, karena molekul dalam cairan mengalami gaya intermolekuler yang lebih lemah dan sehingga memiliki energi potensial yang lebih tinggi (suatu jenis energi disosiasi ikatan untuk gaya intermolekuler.

Jika cairan air didinginkan, suhunya jatuh sedemikian rupa sampai jatuh tetap di bawah titik bekunya 0 °C. Suhu kemudian tetap konstan pada titik poin sementara air mengkristal. Ketika air sudah membeku sempurna, suhunya terus turu.

Entalpi peleburan hampir selalu bertanda positif; helium adalah satu-satunya perkecualian.^[1] Helium-3 mempunyai entalpi peleburan negatif pada suhu di bawah 0,3 K. Helium-4 juga memiliki sedikit entalpi peleburan negatif di suhu bawah 0,77 K (−272,380 °C). Artinya, pada tekanan konstan yang sesuai, zat ini membeku dengan adanya penambahan panas.^[2] Dalam kasus ⁴He, tekanan ini berkisar antara 24,992 atm (2.532,3 kPa) dan 25 atm (2.500 kPa).^[3]

Zat	Kalor peleburan (cal/g)	Kalor peleburan (J/g)
air	79,72	333,55
metana	13,96	58,99
propana	19,11	79,96
gliserol	47,95	200,62
asam format	66,05	276,35
asam asetat	45,90	192,09
aseton	23,42	97,99
benzena	30,45	127,40
asam miristat	47,49	198,70
asam palmitat	39,18	163,93
natrium asetat	63–69	264–289[4]
asam stearat	47,54	198,91
Parafin (C)	47,8-52,6	200–220

Nilai ini sebagian besar diambil dari CRC Handbook of Chemistry and Physics, 62^nd edition. Konversi antara cal/g dan J/g pada tabel di atas menggunakan kalori termokimia (cal_th) = 4,184 joule dan bukan kalori dari International Steam Table (cal_INT) = 4,1868 joule

Contoh

1) Untuk memanaskan 1 kg (1,00 liter) air dari 283,15–303,15 K (10,00–30,00 °C) memerlukan 83,6 kJ. Namun, untuk melelehkan es juga diperlukan energi Untuk memanaskan 1 kg es krim dari 273,15–293,15 K (0,00–20,00 °C) memerlukan:

(1) 333 , 55   J/g (panas peleburan es) = 333 , 55   kJ/kg   = 333 , 55   kJ untuk melelehkan 1 kg es {\displaystyle 333,55\ {\text{J/g (panas peleburan es)}}=333,55\ {\text{kJ/kg}}\ =333,55\ {\text{kJ untuk melelehkan 1 kg es}}}

DITAMBAH

(2) 4 , 18   J/(g ⋅ K ) × 20 K = 4 , 18   kJ/(kg ⋅ K ) × 20 K = 83 , 6   kJ untuk menaikkan temperatur 1 kg air sebesar 20K {\displaystyle 4,18\ {\text{J/(g}}\cdot {\text{K}})\times 20K=4,18\ {\text{kJ/(kg}}\cdot {\text{K}})\times 20K=83,6\ {\text{kJ untuk menaikkan temperatur 1 kg air sebesar 20K}}}

= 417 , 15   kJ {\displaystyle =417,15\ {\text{kJ}}}

Jadi satu bagian air pada 0 °C (273 K) akan mendinginkan hampir tepat 4 bagian air dari 20 °C (293 K) menjadi 0 °C (273 K).

2) Silikon mempunyai panas peleburan 50,21 kJ/mol. Sebesar 50 kW daya dapat memasok energiyang dibutuhkan untuk melelehkan sekitar 100 kg silikon dalam satu jam, setelah mencapai suhu titik leburnya:

50   kW = 50   kJ/s = 180   000   kJ/h {\displaystyle 50\ {\text{kW}}=50\ {\text{kJ/s}}=180\ 000\ {\text{kJ/h}}}

180   000   kJ/h × 1   mol ⋅ Si 50 , 21   kJ × 28   g ⋅ Si 1   mol ⋅ Si × 1   kg ⋅ Si 1   000   g ⋅ Si = 100 , 4   kg/h {\displaystyle 180\ 000\ {\text{kJ/h}}\times {\frac {1\ {\text{mol}}\cdot {\text{Si}}}{50,21\ {\text{kJ}}}}\times {\frac {28\ {\text{g}}\cdot {\text{Si}}}{1\ {\text{mol}}\cdot {\text{Si}}}}\times {\frac {1\ {\text{kg}}\cdot {\text{Si}}}{1\ 000\ {\text{g}}\cdot {\text{Si}}}}=100,4\ {\text{kg/h}}}

Prediksi kelarutan

Panas peleburan dapat juga digunakan untuk memperkirakan kelarutan untuk padatan dalam larutan. Melalui larutan ideal yang disediakan, diperoleh fraksi mol ( x 2 ) {\displaystyle (x_{2})} solut pada kejenuhan adalah fungsi panas peleburan, titik lebur padatan ( T f u s ) {\displaystyle (T_{\mathit {fus}})} dan suhu ( T ) {\displaystyle (T)} larutan:

ln ⁡ x 2 = − Δ H f u s ∘ R ( 1 T − 1 T f u s ) {\displaystyle \ln x_{2}=-{\frac {\Delta H_{\mathit {fus}}^{\circ }}{R}}\left({\frac {1}{T}}-{\frac {1}{T_{\mathit {fus}}}}\right)}

Di sini, R {\displaystyle R} adalah tetapan gas. Contohnya, kelarutan parasetamol dalam air pada 298 K (25 °C) diprediksi adalah:

x 2 = exp ⁡ ( − 28   100  J mol − 1 8 , 314  J K − 1  mol − 1 ( 1 298 − 1 442 ) ) = 0 , 0248 {\displaystyle x_{2}=\exp {\left(-{\frac {28\ 100{\mbox{ J mol}}^{-1}}{8,314{\mbox{ J K}}^{-1}{\mbox{ mol}}^{-1}}}\left({\frac {1}{298}}-{\frac {1}{442}}\right)\right)}=0,0248}

Ini sama dengan kelarutan dalam gram per liter:

0 , 0248 ∗ 1   000  g 18 , 053  mol − 1 1 − 0 , 0248 ∗ 151 , 17  mol − 1 = 213 , 4 {\displaystyle {\frac {0,0248*{\frac {1\ 000{\mbox{ g}}}{18,053{\mbox{ mol}}^{-1}}}}{1-0,0248}}*151,17{\mbox{ mol}}^{-1}=213,4}

yang menghasilkan deviasi dari kelarutan aslinya (240 g/L) sebesar 11%. Galat ini dapat dikurangi bila parameter kapasitas panas tambahan diperhitungkan.^[5]

Bukti

Pada kesetimbangan potensial kimia untuk pelarut murni dan padatan murni adalah sama:

μ p a d a t ∘ = μ c a i r ∘ {\displaystyle \mu _{padat}^{\circ }=\mu _{cair}^{\circ }\,}

atau

μ p a d a t ∘ = μ c a i r ∘ + R T ln ⁡ X 2 {\displaystyle \mu _{padat}^{\circ }=\mu _{cair}^{\circ }+RT\ln X_{2}\,}

dengan R {\displaystyle R\,} tetapan gas dan T {\displaystyle T\,} suhu.

Penataan ulang menghasilkan:

R T ln ⁡ X 2 = − ( μ c a i r ∘ − μ p a d a t ∘ ) {\displaystyle RT\ln X_{2}=-(\mu _{cair}^{\circ }-\mu _{padat}^{\circ })\,}

dan karena

Δ G f u s ∘ = μ c a i r ∘ − μ p a d a t ∘ {\displaystyle \Delta G_{\mathit {fus}}^{\circ }=\mu _{cair}^{\circ }-\mu _{padat}^{\circ }\,}

panas peleburan menjadikan potensial kimia berbeda antara cairan murni dan padatan murni, sesuai dengan

R T ln ⁡ X 2 = − ( Δ G f u s ∘ ) {\displaystyle RT\ln X_{2}=-(\Delta G_{\mathit {fus}}^{\circ })\,}

Aplikasi persamaan Gibbs–Helmholtz:

( ∂ ( Δ G f u s ∘ T ) ∂ T ) p = − Δ H f u s ∘ T 2 {\displaystyle \left({\frac {\partial ({\frac {\Delta G_{\mathit {fus}}^{\circ }}{T}})}{\partial T}}\right)_{p\,}=-{\frac {\Delta H_{\mathit {fus}}^{\circ }}{T^{2}}}}

akhirnya menghasilkan:

( ∂ ( ln ⁡ X 2 ) ∂ T ) = Δ H f u s ∘ R T 2 {\displaystyle \left({\frac {\partial (\ln X_{2})}{\partial T}}\right)={\frac {\Delta H_{\mathit {fus}}^{\circ }}{RT^{2}}}}

atau:

∂ ln ⁡ X 2 = Δ H f u s ∘ R T 2 ∗ δ T {\displaystyle \partial \ln X_{2}={\frac {\Delta H_{\mathit {fus}}^{\circ }}{RT^{2}}}*\delta T}

dan dengan integrasi:

∫ X 2 = 1 X 2 = x 2 δ ln ⁡ X 2 = ln ⁡ x 2 = ∫ T f u s T Δ H f u s ∘ R T 2 ∗ Δ T {\displaystyle \int _{X_{2}=1}^{X_{2}=x_{2}}\delta \ln X_{2}=\ln x_{2}=\int _{T_{\mathit {fus}}}^{T}{\frac {\Delta H_{\mathit {fus}}^{\circ }}{RT^{2}}}*\Delta T}

diperoleh hasil akhir:

ln ⁡ x 2 = − Δ H f u s ∘ R ( 1 T − 1 T f u s ) {\displaystyle \ln x_{2}=-{\frac {\Delta H_{\mathit {fus}}^{\circ }}{R}}\left({\frac {1}{T}}-{\frac {1}{T_{\mathit {fus}}}}\right)}

Lihat juga

• Panas penguapan
• Kapasitas kalor
• Database termodinamika untuk zat murni
• Metode Joback (Estimasi panas peleburan dari struktur molekul)
• Kalor laten

Referensi

Daftar pustaka

• Atkins, Peter; Jones, Loretta (2008), Chemical Principles: The Quest for Insight (Edisi 4th), W. H. Freeman and Company, hlm. 236, ISBN 0-7167-7355-4
• Ott, BJ. Bevan; Boerio-Goates, Juliana (2000), Chemical Thermodynamics: Advanced Applications, Academic Press, ISBN 0-12-530985-6