Sabtu, 25 Februari 2012


Wujud Zat Keempat dan Kelima


Di sekolah dasar dahulu kala, kita belajar bahwa wujud zat (states of matter) ada tiga, yaitu padat (solid), cair (liquid), dan gas (gases). Zat padat memiliki sifat rigid, yaitu mempertahankan volume dan bentuknya seperti bebatuan dan es. Zat cair mempertahankan volumenya tapi bentuknya berubah-ubah sesuai dengan wadahnya. Air misalnya,  menyerupai bentuk gelas ketika di dalam gelas. Terakhir gas, baik volume dan bentuknya berubah-ubah sesuai dengan wadahnya. Udara di dalam balon misalnya, volumenya bertambah ketika balon membesar, begitu juga bentuknya.

Nah.. pada posting sebelumnya tentang Wujud Zat (States of Matter) kita sudah mengenal dua wujud zat lainnya, yaitu Plasma dan BEC (Bose-Einstein Condesat). untuk penjelasan yang lebih lengkapnya mari kita baca pada artikel berikut ini.

Yang membedakan wujud zat satu dengan yang lain adalah jarak antarmolekul penyusun zat tersebut. Pada zat padat, jarak antarmolekul penyusunnya sangat dekat (rapat) sehingga molekul-molekulnya tidak dapat bebas bepergian. Ini seperti sebuah orang-orang yang berdesakan di dalam lift sempit, mereka tidak dapat ke mana-mana kecuali berdiri di tempat. Kalau pun dapat bergerak, hanya sedikit. Jika sebagian orang tadi keluar dari lift, maka sebagian yang tinggal  merasa lega dan dapat bergerak relatif lebih leluasa. Ini analogi dengan zat cair, yang jarak antarmolekulnya relatif lebih besar daripada zat padat. Dengan demikian, sejumlah air dapat berubah-ubah bentuknya menyesuaikan wadah yang ditempatiny. Terakhir, jika jarak antarmolekul sangat jauh (renggang) sehingga molekul bebas bergerak, maka wujud zatnya adalah gas seperti udara. Dia tidak dapat mempertahankan bentuk dan volumenya.

Zat juga dapat berubah wujud dari satu ke yang lain. Namanya perubahan fase zat (phase change). Wujud padat ke cair melewati proses pencairan (melting) seperti es mencair menjadi air — kebalikannya disebut pembekuan (freezing). Wujud cair ke gas melewati proses penguapan (vaporation) seperti air mendidih menjadi uap air — kebalikannya disebut pengembunan atau kondensasi (condensation). Wujud gas juga dapat menjadi padat lewat proses deposisi (deposition) — kebalikannya disebut penyubliman (sublimation) seperti pada kasus kapur barus.


Diagram temperatur-energi pada perubahan fase wujud zat. Perubahan fase selalu melibatkan panas, baik dilepas ataupun diterima, namun temperatur zat tidak berubah. Dalam gambar, kotak merah menunjukkan proses perubahan fase.


Wujud zat dapat juga dibedakan berdasarkan interaksi antarmolekul penyuzun zat. Dalam klasifikasi ini, pada zat padat interaksi tarik-menarik antarmolekul membuat posisi molekul-molekul penyusunnya tetap dalam koordinat dimensi ruang. Pada zat cair, interaksi tarik-menarik antarmolekul relatif lebih lemah sehingga posisi molekul-molekulnya berubah-ubah meskipun tidak ekstrim. Sedangkan dalam gas, nyaris tidak terjadi interaksi antarmolekul gas sehingga mereka bebas bergerak ke sana ke mari sehingga membuat gas tidak dapat mempertahankan volume dan bentuknya.

Proses perubahan fase zat. Arah panah ke atas menunjukkan nilai entalpi yang semakin tinggi. Entalpi adalah konsep dalam termodinamika yang menunjukkan total energi dalam plus total energi dari tekanan dan volume zat.


Ada satu wujud tambahan berdasarkan interaksi antarmolekul penyusun, yaitu disebut plasma. Plasma adalah gas yang terionisasi (memiliki muatan listrik) dan biasanya memiliki temperatur yang tinggi. Interaksi ionik antar molekul-molekul bermuatan yang ada dalam plasma memberikan plasma sifat-sifat yang berbeda dari tiga wujud lain. Inilah yang menjadi alasan kenapa plasma disebut wujud zat keempat (the fourth state of matterial).

Di Bumi kita, plasma dapat ditemukan pada awan-awan bermuatan yang menghasilkan petir. Malah, sebagian orang mendeskripsikan petir itu sendiri adalah plasma. Kilatan terang-benderang yang kita saksikan dari petir adalah radiasi elektromagnetik (termasuk di dalamnya cahaya tampak, gelombang radio, dan sinar-X) yang dipancarkan oleh plasma. Selain itu, plasma pada petir membawa arus sampai 30.000 ampere dan memiliki temperatur sampai 28.000 kelvin. Plasma juga ada di dalam tabung televisi (bukan monitor datar seperti pada laptop) dan lampu neon.

Namun, sesungguhnya plasma lebih banyak terdapat di luar angkasa. Debu-debu kosmik yang menjadi cikal-bakal bintang berwujud plasma. Materi penyusun angin surya (solar wind), inti Matahari, bahkan planet Jupiter sebagian besar berwujud plasma. Karena banyaknya plasma mengisi ruang di luar angkasa, plasma menjadi salah satu kunci untuk mempelajari Alam Semesta kita. Dalam fisika, pengkajian plasma secara khusus dilakukan oleh cabang ilmu yang disebut fisika plasma (plasma physics).

Apakah ada wujud zat kelima (the fifth state of material)? Jawabannya mungkin ada dan mungkin berwujud butiran (granular) seperti butiran-butiran pasir yang jatuh dari sela-sela tangan kita. Ini adalah fakta terbaru yang dipublikasi oleh Heinrich Jaeger (University of Chicago) di majalah Nature edisi 25 Juni 2009.

Proses pembentukan butiran-butiran pasir terjadi karena ketidakstabilan gaya atomik yang menarik bijih-bijih pasir sehingga membentuk butiran — ini berbeda dengan teori lama yang mengatakan bahwa  butiran pasir terbentuk setelah terjadi tumbukan antarbijih pasir. Proses ini mirip pada air yang juga membentuk butiran ketika jatuh (seperti pada air hujan), hanya saja pada butiran pasir melibatkan gaya tarik-menarik antarmolekul 100.000 kali lebih kuat.

Selain itu, Jaeger mendapatkan apa yang disebut “daerah tegangan-permukaan-ultrarendah” (ultralow-surface-tension regime), sebuah kondisi baru dalam ranah sains yang menentukan dinamika wujud butiran. Ini membuat wujud butiran memiliki sifat-sifat yang berbeda dari keempat wujud zat yang ada.

Misalnya saja, butiran pasir memiliki sifat zat padat dan zat cair pada waktu yang bersamaan. Saat berjalan di pantai, tubuh kita ditopang oleh pasir pantai — sifat pasir sebagai zat padat. Kita dapat genggam pasir namun kemudian pasir itu dapat lolos dan jatuh dari sela-sela jari kita — sifat pasir sebagai zat cair. Contoh lain dapat kita lihat ketika sebuah benda jatuh ke atas pasir, menghasilkan fenomena seperti benda dijatuhkan ke atas air (lihat video). Dalam kasus-kasus lain, butiran pasir dapat berperilaku seperti padat, cair, gas, bahkan di antaranya.

Dikutip dari Wired Science, riset tentang wujud butiran ini dapat menguntungkan pihak industri. Banyak produk jadi dan makanan melewati fase butiran. Selama ini pihak industri hanya menggunakan metode trial-and-error untuk menangani proses mereka sehingga tingkat kegagalannya tinggi. Keuntungan dari riset butiran pasir ini juga dapat dinikmati oleh riset berteknologi tinggi seperti eksplorasi Mars dan Bulan oleh robot-robot NASA. Perubahan kondisi sedikit saja, seperti temperatur, kelembaban, kondisi permukaan dapat menyebabkan kerusakan fatal.

Fisikawan kaya akan perkakas untuk berurusan dengan zat padat, cair, dan gas. Tapi, kita tidak punya sebuah petunjuk kapan kategori klasik itu (padat-cair-gas) tidak dapat dipakai,” ujar Jaeger.

Sebenarnya, masih ada satu wujud zat lagi yang telah dikenal sebelum ini, yaitu kondensasi Bose-Einstein (Bose-Einstein condentation). Wujud zat ini adalah gas yang didinginkan menuju 0 kelvin (nol kelvin = absolute zero). Pada keadaan ini, zat memiliki sifat-sifat unik yang tidak dimiliki oleh wujud lainnya. Sebagian orang mengatakan bahwa kondensasi Bose-Einstein inilah yang merupakan wujud zat kelima. Jika demikian, maka kita punya enam wujud zat. Wah, jangan-jangan nanti ada juga wujud ketujuh, kedelapan, dan seterusnya? Semakin banyak hapalan untuk anak sekolah, hehehe.

0 komentar:

Poskan Komentar