Hubungan Tekanan Udara, Ketinggian Tempat, dan Suhu Mendidih Air

 Kali ini aku ingin menceritakan tentang suatu kejadian alam yang sangat erat dengan hukm fisika yang terjadi. berawal dari aku membaca buku IPA adik keponakanku yang kemudian tertulis di dalamnya bahwa 

"Air Mendidih pada Suhu 100 Derajat Celcius"

tentu saja untuk anak SD kelas 1 sepertinya hal tersebut kurang menarik apalagi melihat bagaimana adikku menanggapinya. namun pernyataan yang menyebutkan hal itu sebenarnya antara benar dan salah. mengapa? 

pada dasarnya kebanyakan orang tidak akan mengecek secara pasti bagaimana air mendidih namun sama seperti kita memasak air untuk membuat kopi, memasak mie instan, dan lain sebagainya, namun semuanya memiliki karakter fisik yang sama yang sering diucakan ibukku ketika aku sedang memasak mie instan ketika kecil. "kalau sudah keluar gelembung masukkan mie nya".  sehingga semua orang menyadari dan paham bahwa ketika gelembung muncul pada air yang dipanaskan, maka air itu sudah mendidih. Parameter fisik secara umum ini sudah digunakan dan disepakati oleh banyak orang dari berbagai rentang usia dan golongan. bahkan ibukku yang tentunya kurang mengerti tentang fisika pun bisa mengetahui hal tersebut.

yang jadi pertanyaan adalah apakah ketika air mendidih tersebut suhu air pada100 derajat C? hampir semuanya sepakat bahkan lingkungan sekitarku juga mengatakannya dan ya, mereka bilang dan yakin tanpa mengukurnya bahwa suhu air tersebut sudah 100 derajat C. Lalu dimana letak kesalahannya jika hampir seluruh lapisan masyarakan menyepakatinya? jawabanya ada pada dasar kata mendidih.

Apa itu Mendidih?

mendidih merupakan sebuah kondisi air dimana bagian dari proses penguapan yang mana seluruh bagian air berpotensi untuk menguap. lah mengapa seluruh bagian air? karena ada perbedaan fundamental dengan penguapan. jika penguapan merupakan proses perubahan molekul air dari bentuk cair menuju gas, pada kondisi mendidih hampir seluruh molekul disana berpotensi menjadi gas. lebih simpel akan aku berikan gambaran contoh berikut ini:

Fenomena 1, Cucian Kering karena Dijemur 

kita mengetahui bahwa pakaian yang dijemur di bawah terik sinar matahari akan berangsur kering. atau fenomena yang mirip seperti rambut kita yang basah dan lain sebagainya. tentu saja jawaban ilmiah dari hal itu adalah air menguap. hal tersebut merupakan sebuah proses yang disebut 'menguap'. jadi walaupun suhu tidak terlalu panas, menguap tetap terjadi karena hanya sebagian molekul airnya saja yang berubah bentuk zat dari cair menjadi gas. cahaya matahari terik sekitar 40 derajat Celcius, pada permukaan laut dengan suhu mendidih air pada 100 derajat C tentunya air masih akan menguap namun tidak mendidih.

Fenomena 2. Merebus Air Hingga Mendidih

 Pada proses merebus air hingga mendidih seperti yang telah aku ceritakan sebelumnya, pada proses ini air sebenarnya akan sama - sama habis dan menguap, namun perbedaan utamanya adalah prosesnya lebih cepat ketika pada kondisi mendidih. perbedaan utama juga terlihat dari munculnya gelembung udara di air.

Dari kedua fenomena tersebut sebenarnya sudah sangat bisa menjelaskan tentang perbedaan mendidih dan menguap. jika harus disingkat, maka perbedaan dasarnya ada pada jumlah molekul yang berubah menjadi gas lebih banyak sehingga air akan kering lebih cepat. lalu bagaimana bisa mendidih?

Faktanya mendidih dikarenakan oleh tekanan udara yang harus sama dengan tekanan uap air. lebih mudah aku akan menjelaskan menggunakan gambar sketsa dibawah ini:

Bak Air pada Elevasi 0 mdpl

Ceritanya: Dari gambar diatas terdapat sebuah bak berisi air dengan suhu 25 derajat celcius. lokasinya berada di sebuah pantai dengan ketinggian +0 mdpl dengan tekanan udara 101.4 kPa. Lalu tekanan uap air yang ada pada bak tersebut 3.17 kPa.

Analisanya: cukup dibayangkan saja bahwa di pinggir pantai dengan suhu air hanya 25 derajat C tentu saja air tidak mendidih.

Bak Air Dipanaskan hingga Suhu 50 derajat C

Ceritanya: Karena aku ingin air tersebut mendidih, selanjutnya aku panaskan air di bak tersebut dengan api hingga air tersebut bersuhu 50 derajat C. tekanan uap air naik menjadi 12.35 kPa dan karena tidak ada perubahan lokasi, tekanan udara tetap di angka 101.4 kPa

Analisanya:  setelah aku menaikkan suhu air menjadi 50 derajat C, aku masih belum bisa melihat gelembung udara sebagaimana proses fisik mendidih bisa terlihat. sehingga aku simpulkan bahwa air belum mendidih.

Tekanan Uap Air Telah sama dengan Tekanan Udara

Ceritanya: Proses selanjutnya aku ingin terus memanaskan bak tersebut lebih lama hingga suhunya mencapai 100 derajat C. pada kondisi ini tekanan uap air menjadi sebesar 101.4 kPa. sehingga sama dengan tekanan udara di lokasi tersebut.

Analisanya: dari hasil pengamatan visual, mulai mucul gelembung yang menandakan air sudah mendidih. sehingga proses diatas menjelaskan bagaimana perubahan suhu yang mempengaruhi kenaikan tekanan uap air. ketika tekanan uap air sama dengan tekanan udara, maka air mendidih.

pada 3 proses yang aku jelaskan dengan sketsa tersebut, menandakan bahwa proses mendidih terjadi ketika tekanan uap air berubah menjadi sama dengan tekanan udara di elevasi +0 mdpl sebesar 101.4 kPa. lalu untuk merubah tekanan uap air hingga pada tekanan 101.4 kPa tersebut membutuhkan pemanasan hingga 100 derajat C. sehingga jawaban untuk note book yang tertulis bahwa air mendidih pada suhu 100 derajat C itu BENAR pada Elevasi 0 mdpl.

Bagaimana Mendidih pada Elevasi yang Lebih Tinggi? Misalkan Pegunungan

Semua pendaki gunung dan penikmat alam mengetahui sebuah fakta bahwa tekanan udara di gunung lebih rendah sehingga air mendidih lebih cepat dan kita menjadi susah bernafas. Akan aku kesampingkan sebentar terkait dengan kita susah bernafas dan akan aku ceritakan tentang eksperimenku di gunung Rinjani Agustus lalu dimana aku menggunakan beberapa instrumentasi seperti barometer di jam tanganku dan termometer untuk badan yang aku celupkan pada air.

Agustus 2021 lalu aku mendaki gunung Rinjani dan karena beberapa alasan aku terpaksa untuk menginap lebih lama di Pelawangan dengan elevasi Pelawangan yang berada pada elevasi sekitar +2700 mdpl. Hampir setingkat dengan Kalimati di gunung Semeru. kemudian aku mengecek barometer dan mendapatkan bahwa tekanan udara yang ada pada ketinggian tersebut sekitar 72 kPa. artinya tekanan udara tersebut lebih rendah daripada tekanan udara di dataran rendah yang sebesar 101.4 kPa. maka BENAR bahwa tekanan udara di pegunungan lebih rendah.

Perbedaan Tekanan udara pada Ketinggian yang Berbeda

Lalu apakah benar bahwa di gunung air mendidih lebih cepat? 

Bak Air pada Ketinggian +2700 mdpl

Ceritanya : Aku punya bak air kali ini di ketinggian sekitar +2700 mdpl dengan tekanan udara 72 kPa dan tekanan uap air pada suhu 25 derajat C sebesar 3.17 kPa. 

Analisa:  karena berada di elevasi yang cukup tinggi, maka tekanan udara lebih rendah daripada tekanan udara di dataran rendah

Tekanan Uap Air pada Bak Sudah Sama dengan Tekanan Udara pada suhu 80 derajat C

Ceritanya: Aku memanaskan air pada bak tersebut untuk beberapa saat namun ketika suhu mencapai sekitar 80 derajat C, pada bak air sudah menunjukkan gelembung dan pada suhu tersebut tekanan uap air enjadi 72 kPa atau sama dengan tekanan udara pada elevasi +2700 mdpl.

Analisa: karena ketinggian yang berbeda dengan dataran rendah, maka tekanan udaranya lebih rendah. untuk mencapai tekanan uap air sama dengan tekanan udara sebesar 72 kPa hanya membutuhkan pemanasan suhu hingga 80 derajat C atau lebih rendah 20 derajat C dari pemanasan yang dibutuhkan untuk mendidihkan air di dataran rendah.

Dari 2 perbandingan diatas dapat diketahui bahwa karena tekanan udara di dataran tinggi lebih rendah, maka untuk mendidihkan air pun menjadi lebih rendah atau hanya pada suhu sekitar 80 derajat Celcius pada elevasi +2700 mdpl. sehingga karena tidak perlu menunggu suhu mencapai 100 derajat C, maka pemanasan yang dibutuhkan lebih singkat. maka BENAR bahwa di dataran tinggi pemanasan lebih singkat dan cepat karena suhu yang dibutuhkan agar tekanan uap air sama dengan tekanan udara tidak terlalu besar.

Lebih singkat akan aku sajikan satu grafik yang aku kutip dari buku "Engineering Monograph no. 42, Cavitation in Chutes and Spillways by Henry T. Felvey, United States Department of the Interior Bureau of Reclamation, 1990, halaman 1.

Hubungan Elevasi, Tekanan Udara, dan Suhu Mendidih Air

terlihat bahwa dari grafik diatas semakin tinggi elevasi yang dicapai, maka semakin rendah tekanan udara dan semakin rendah suhu mendidih air. begitu pula sebaliknya.