Sifat-sifat Air Laut : Specific Heat dan Latent Heat

Air adalah penyusun utama laut. Air laut tersusun dari sekitar 97% air, dan mempunyai beberapa karakteristik yang luar biasa dan sangat penting. Air memiliki titik didih yang tinggi sehingga air umumnya dijumpai pada fase cair. Sesungguhnya, air adalah cairan utama di Bumi. Air sangat penting bagi proses kehidupan. Hal itu karena kemampuan air yang unik melarutkan hampir semua unsur dalam jumlah sedikit-sedikit. Selain itu, air penting karena peranannya yang utama di dalam mengendalikan penyebaran panas di Bumi.
Bumi adalah salah satu planet di dalam sistem tatasurya. Di antara planet-planet yang ada di dalam sistem tatasurya Matahari itu, Bumi sangat unik, karena adanya air bebas yang sangat banyak. Air bebas di Bumi bergerak di antara daratan, lautan dan atmosfer dalam suatu siklus yang disebut Siklus Hidrologi. Air dari daratan masuk ke laut melalui aliran sungai-sungai dan air tanah. Di daratan, dalam perjalanan ke laut, air mengerosi batuan dan tanah, dan secara perlahan-lahan melarutkan bermacam-macam mineral dalam jumlah besar untuk selanjutnya dibawa masuk ke laut. Berkaitan dengan sifat-sifat air laut yang luar biasa itu, di dalam bab ini akan diuraikan berbagai sifat fisik dan kimia air laut yang utama.

SIFAT-SIFAT AIR
Air tersusun oleh dua aton hidrogen dan satu atom oksigen. Setiap atom hidrogen itu secara kimiawi terikat pada atom oksigen. Atom oksigen memiliki sifat elektronegatif yang tinggi, karena memiliki tiga pasang elektron bebas pada kulit atomnya. Setiap aton hidrogen yang berikatan dengan aton oksigen, menyumbangkan satu elektron kepada aton oksigen, sehingga terbentuk suatu keseimbangan. Ikatan atom-atom itu membentuk molekul air, seperti pada Gambar 1.
Sifat-sifat Air Laut : Specific Heat dan Latent Heat
Gambar 1. Struktur dan geometri molekul air. Dikutip dari Libes (1992).
Ujung-ujung atom hidrogen memiliki muatan positif yang kecil, sedang dua pasangan elektron oksigen yang tidak berikanan membuat ujung atom oksigen memiliki muatan negatif. Kemudian, karena muatan itu memiliki penyebaran muatan yang tidak sama, maka disebut “polar covalent bonds” yang bersifat “bipolar”. Dua muatan positif dari atom hidrogen pada satu sisi dan dua muatan negatif ganda dari atom oksigen membuat molekul-molekul air bersifat “bipolar”. Akibatnya adalah, molekul-molekul air yang berdampingan cenderung untuk bergabung bersama, tertahan oleh tarikan dari muatan yang berlawanan yang ada pada molekul yang berdampingan. Muatan positif atom hidrogen dari satu molekul tertarik dengan muatan negatif atom oksigen dari molekul yang lain, membentuk suatu ikatan yang disebut ikatan hidrogen (“hydrogen bonds”) (Gambar 2).
Sifat-sifat Air Laut : Specific Heat dan Latent Heat
Gambar 2. Ikatan hidrogen diantara molekul-molekul air. Ikatan hidrogen ditunjukkan dengan garis putus-putus. Dikutip dari Libes (1992).
Ikatan molekul air yang bermuatan itu lebih kuat daripada ikatan molekul tanpa muatan. Keadaan itu membuat molekul air lebih stabil dan sulit terpisah untuk menjadi molekul-molekul air yang terpisah. Susunan molekul air adalah susunan molekul yang sangat stabil. Air adalah satu-satunya unsur di alam yang dijumpai dalam tiga fase (fase padat, cair dan gas) secara bersamaan. Air dalam bentuk padat mempunyai susunan molekul yang sangat teratur, sedang bila berada dalam bentuk gas susunan molekulnya sangat jarang (Gambar 3).
Sifat-sifat Air Laut : Specific Heat dan Latent Heat
Gambar 3. Distribusi molekul unsur dalam fase padat, cair, dan gas. Volume yang ditunjukkan dalam gambar adalah sama. Dikutip dari Libes (1992).
Tingkat kekompakan disebut dengan densitas (density), yang didefinisikan sebagai berikut:

(1)





Densitas air murni pada temperatur 4oC adalah 1 g/cm3. Artinya 1 cm3 air memiliki massa 1 gram. Densitas adalah sifat bawaan (intrinsic) dari suatu unsur. Nilai densitas tetap konstan dan tidak dipengaruhi oleh banyaknya unsur yang diukur. Misalnya, pada temperatur 4oC densitas 1000 kg dan 10 gram air tetap 1 g/cm3. Densitas air adalah fungsi dari temperatur. Makin tinggi temperatur, makin rendah densitasnya (Gambar 3a).
Sifat-sifat Air Laut : Specific Heat dan Latent Heat
Gambar 3a. Densitas air tawar dan es sebagai fungsi temperatur. Perhatikan bahwa densitas maksimum air tawar adalah pada temperatur 4o C (Data dari Pauling 1953 dan Hutchinson 1957. Dikutip dari Berner dan Berner, 1987). 
Ikatan hidrogen menyebabkan diperlukan sejumlah energi untuk merubah air dari fase padat menjadi cair dan gas. Ikatan hidrogen ini menyebabkan air meleleh pada temperatur 4oC dan mendidih pada 100oC. Bila tanpa ikatan hidrogen, maka air akan mendidih pada temperatur –68oC dan membeku pada –90oC. Pada pemanasan air, kehadiran ikatan hidrogen menyebabkan panas yang diberikan pada air bukan terpakai untuk menggerakkan molekul air, tetapi diserap oleh ikatan hidrogen. Setelah ikatan hidrogen rusak, maka penambahan panas akan meningkatkan gerakan molekul air. Peningkatan gerakan molekul air itulah yang diukur sebagai peningkatan temperatur oleh termometer. Tingginya titik didih air menyebabkan air dapat menyerap panas dalam jumlah besar (Gambar 4).
Sifat-sifat Air Laut : Specific Heat dan Latent Heat
Gambar 4. Transisi fase dari air yang disebabkan oleh perubahan kandungan panas. Garis lereng menunjukkan kapasitas panas. Dikutip dari Libes (1992).
Specific heat” (“heat capacity”, kapasitas panas) adalah banyaknya energi panas yang diperlukan untuk menaikkan temperatur suatu unsur dalam jumlah tertentu. Kalori (energi) yang diperlukan untuk menaikkan temperatur 1 gram cairan air sebesar 1oC didefinisikan sebagai 1 kaloC-1g-1. Kapasitas panas es adalah 0,05 kaloC-1g-1 dan kapasitas panas uap air adalah 0,44 kaloC-1g-1. Panas yang tersimpan di dalam sistem (air) disebut sebagai latent heat” (panas laten). Panas ini bisa dilepaskan ke atmosfer atau ke tubuh air yang lebih dingin.
Arti dari kapasitas panas dapat dipahami dari kasus berikut ini. Bila kita berada di pantai pada siang hari dan memasukkan satu kaki ke air laut sedang kaki yang satunya tetap berada di atas pasir. Kaki yang berada di dalam air akan merasakan air laut yang dingin sementara kaki yang dipasir akan merasakan panas. Mengapa hal itu bisa terjadi, sementara pasir dan air laut menerima energi panas dari sinar matahari dalam jumlah yang sama? Hal itu karena air menyerap panas dengan tanpa mengalami peningkatan temperatur, sedang pasir mengalami peningkatan temperatur.
Tingginya kapasitas panas air penting bagi pengaturan iklim dan kehidupan di Bumi. Bila musim panas, energi panas dapat disimpan oleh laut. Panas yang disimpan itu akan dilepas lagi ke atmosfer pada saat musim dingin. Dengan demikian, samudera berperanan memoderatkan iklim, mengurangi amplitudo variasi temperatur musiman.
Dengan demikian, panas laten yang tersimpan di dalam air laut adalah faktor penting di dalam pertukaran energi yang menciptakan sistem cuaca di seluruh dunia. Pertukaran energi panas antara samudera dan atmosfer juga merubah densitas massa air. Dengan demikian, energi panas juga berperan di dalam sirkulasi air samudera (tentang sirkulasi karena densitas akan dibicarakan kemudian).
Penambahan garam kepada air tawar akan menyebabkan terjadinya perubahan sifat-sifat air. Penambahan ion garam ke dalam air menyebabkan molekul-molekul air terikat dan terbentuk hidrat. Garam adalah material padat yang atom-atomnya terikat satu sama lain dengan ikatan ionik. Ikatan tersebut adalah hasil dari tarikan elektrostatik antara ion-ion bermuatan positif (cation, kation) dan ion-ion bermuatan negatif (anion, anion). Bila garam dimasukkan ke dalam air, seperti natrium klorida (NaCl), akan mengalami pelarutan karena kation-kation dan anion-anion secara elektrostatik menarik molekul-molekul air. Kation-kation menarik kutub oksigen dari molekul air, dan anion-anion menarik kutub hidrogen. Karena dikelilingi oleh molekul-molekul air, ion-ion terlalu jauh untuk dapat saling menarik satu sama lain. Dengan demikian, ikatan ionik rusak dan ion-ion dikatakan terlarut (dissolved) atau terhidrasi (hydrated). Proses tersebut digambarkan seperti pada Gambar 5.
Sifat-sifat Air Laut : Specific Heat dan Latent Heat
Gambar 5. Dissolusi natrium (sodium) klorida di dalam air. Dikutip dari Libes (1992).
Beberapa perubahan penting yang terjadi itu antara lain (Gambar 6) adalah:
1)  Kapasitas panas (specific heat, heat capacity) akan turun seiring dengan kenaikan salinitas. Di pihak lain, pada air dengan salinitas normal, kapaitas panas akan naik seiring dengan naiknya temperatur. Dengan kata lain, bila temperatur air naik, maka akan makin sulit untuk melepaskan molekul air dari ion hidrat. Dengan demikian, titik didih air laut akan meningkat seiring dengan peningkatan salinitas.
2)    Densitas meningkat seiring hampir linier seiring dengan peningkatan salinitas. Penambahan garam menurunkan temperatur densitas maksimum. Pada salinitas > 20‰, densitas maksimum terjadi pada temperatur di bawah titik beku normal (0oC).
3) Titik beku menurun seiring dengan penambahan garam. Karakter ini dikombinasikan dengan efek temperatur dan salinitas terhadap densitas (densitas air laut naik bila temperatur turun) memberi arti bahwa air dengan densitas tertinggi di samudera adalah air yang paling dingin dan paling tinggi salinitasnya. Air dengan densitas terrendah adalah air dengan temperatur tinggi dan bersalinitas rendah.
4)       Tekanan uap (ukuran seberapa mudah molekul air lepas dari fase cair masuk ke fase gas) makin turun seiring dengan peningkatan salinitas, karena garam cenderung membuat molekul air-bebas untuk penguapan berkurang. Air tawar akan menguap lebih mudah daripada air laut. Diperlukan panas yang banyak untuk meningkatkan tekanan uap sampai ke tekanan atmosfer, sehingga sehingga titik didih air makin tinggi dengan meningkatnya salinitas.
5)  Tekanan osmosis air naik seiring dengan peningkatan salinitas. Tekanan osmosis berkaitan dengan aliran larutan melalui membran (selaput tipis berpori) semipermeabel. Banyak aliran meningkat seiring dengan peningkatan salinitas.
6) Penambahan garam akan meningkatkan viskosita air. Hal ini karena tarikan elektrostatis antara material terlarut dan air. Perbedaan viskositas akan mempengaruhi kecepatan suara di dalam air. Pengetahuan tentang ini penting di dalam teknologi SONAR (sound navigation ranging).
 
Sifat-sifat Air Laut : Specific Heat dan Latent Heat
Gambar 6. (a) Tekanan osmosis, (b) tekanan uap, (c) titik beku dan temperatur densitas-maksimum sebagai fungsi salinitas. Dikutip dari Libes (1992).
Suatu konsekuensi penting dari keterkaitan antara salinitas, temperatur densitas-maksimum, dan titik beku adalah:
1).      Pada air dengan salinitas < 26‰, temperatur densitas-maksimum lebih tinggi dari pada titik beku.. Dengan demikian, bila air laut terus mendingin, akan terus makin tinggi densitasnya. Karena pendinginan dimulai dari permukaan, air permukaan akan lebih berat daripada air di bawahnya dan akan turun. Air yang di sebelah bawah, yang lebih hangat dan berdensitas lebih rendah, akan naik menggantikan air yang dingin dan, pada gilirannya air itu sendiri akan mengalami pendinginan dan turun. Dengan cara seperti inilah sirkulasi air-dalam terjadi, dan pembekuan akan terjadi bila seluruh tubuh air mengalami pendinginan sampai titik beku.
2).      Pada air dengan salinitas > 26‰, temperatur densitas-maksimum lebih rendah daripada titik beku. Densitas air laut 33‰ – 37‰. Kalau air permukaan laut mengalami pendinginan maka tidak mengalami anomali sifat densitas air tawar. Karena titik beku air laut lebih tinggi daripada titik temperatur densitas maksimum, maka air akan tetap di dekat permukaan dan mengalami pendinginan lebih lanjut, meskipun titik beku tercapai dan suatu lapisan es terbentuk di permukaan. Lapisan es yang terbentuk di permukaan laut hampir seluruhnya air tawar. Dengan demikian, hubungan antara salinitas, temperatur densitas-maksimum, dan titik beku mencegah samudera membeku semuanya.

Menurut Tchernia (1980), perpotongan antara garis temperatur densitas maksimum dan titik beku terjadi pada salinitas 24,7 ‰ (psu: ptactical salinity units).


Daftar Pustaka :
Berner, E.K. and Berner, R.A., 1987. Global Water Cycle: geochemistry and environment. Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliff, New Jersey.
Culkin, F., 1965. The Major Constituents of Sea Water. In: J.P. Riley and G. Skirrow (eds.), Chemical Oceanography, vol. 1, Academic Press, London, p. 121 – 161.
Ingmanson, D.E. and Wallace, W.J., 1973. Oceanography: an introduction. Wordsworth Publishing Company, Inc., Belmont, California.
Kaharl, V., 1999. Sounding out the ocean’s secrets. In: Beyond Discovery: the parth from research to human benefit. National Academic of Sciences. [Http://www2.nas.edu/bsi]. Akses: 10 Maret 2005.
Libes, S.M., 1992. An Introduction to Marine Biogeochemistry. John Wiley & Sons, Inc., New York.
Pickard, G.L. and Emery, W.J., 1995. Descriptive Physical Oceanography: an introduction, 5th (SI) Enlarged Edition. Butterworth-Heinemann, Ltd., Oxford.
Ross, D.A., 1977. Introduction to Oceanography. Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey.

Subscribe to receive free email updates:

0 Response to "Sifat-sifat Air Laut : Specific Heat dan Latent Heat"

Post a Comment

Berikan komentarnya yaaa.... Kritik dan saran Anda amatlah berarti :D