Laju Penguapan Cairan Per Luas Permukaan

Laju penguapan setiap meter luas permukaan cairan per detik (evaporation flux) dapat dihitung dengan menggunakan rumus dari Irving Langmuir.

Sebenarnya rumus tersebut digunakan oleh Irving Langmuir untuk mengukur tekanan uap dengan mengukur tingkat penguapan, pada artikel ini rumus tersebut digunakan secara terbalik yaitu untuk mengetahui laju penguapan dengan tekanan uap yang sudah diketahui.

Menurut Irving Langmuir, tingkat di mana molekul-molekul hilang karena penguapan menjadi gas tanpa tekanan parsial uap tersebut adalah sama dengan tingkat di mana molekul zat akan menabrak permukaan zat cair tersebut, jika hal ini terjadi dalam kesetimbangan uap, dalam kesetimbangan laju penguapan dan laju kondensasi akan sama.




Keterangan:

dM/dt= laju aliran massa (kg) pada luas tertentu (m-2) dalam satu detik (sekon, s-1), sehingga satuannya adalah kg/m2/s.

Pv = tekanan uap pada temperatur tertentu, atau titik didih pada tekanan dan temperatur tertentu, dalam satuan pascal (pa).

Pp= tekanan parsial uap zat tersebut pada campuran gas, misal tekanan uap air di udara pada temperatur tertentu, dalam satuan pascal (pa).

m = berat molekul (kg/mol).

R = konstanta gas ideal atau konstanta Mendeleev = 8.314 Joules/(mol Kelvin).


Dari rumus dapat dilihat bahwa jika tekanan uap (Pv) lebih besar dari tekanan parsial (Pp) maka akan terjadi penguapan atau evaporasi. Sebaliknya jika tekanan parsial (Pp) lebih besar dari tekanan uap (Pv) maka akan terjadi pengembunan atau kondensasi.


Contoh perhitungan
Misalnya rumah Anda mempunyai kolam renang dengan luas permukaan air 100 meter persegi, temperatur 30 derajat Celsius, berat molekul air kolam adalah 0.018 kg/mol. Diketahui kelembaban udara sekitar 55%. Perlu dihitung berapa banyak air yang menguap setiap detiknya.


Beberapa cara menentukan tekanan uap pada suatu temperatur
Tekanan uap (vapor pressure, Pv) juga disebut sebagai titik didih (boiling point), dimana suatu zat cair atau zat padat dengan temperatur tertentu akan mendidih jika diberi tekanan tertentu. Air akan mendidih pada temperatur 30 derajat celsius jika tekanannya dikurangi atau divakum, lihat videonya disini.

Tekanan dimana air mendidih dapat dihitung dengan rumus Antoine berikut: 



dengan P adalah tekanan dalam satuan Torr, dan Tb adalah temperatur dalam celsius.

Untuk temperatur 30 derajat celsius akan didapat log10 P sama dengan 31.74 Tor. Karena pada rumus Langmuir tekanan uap (Pv) dalam satuan pascal maka nilainya menjadi 4,231.68 pascal.

Tekanan uap juga dapat diestimasi dengan diagram Psychrometric di bawah. Caranya dengan mencari rasio kelembaban (kg/kg') di diagram Psychrometric dengan suhu 30 derajat celsius dan kelembaban 100%, dan didapat nilai rasio kelembaban sebesar 0.027 kg/kg'. Cara membaca diagram Psychrometric dijelaskan di bawah. Maka tekanan uap (Pv) adalah:

Pv =  x / (0.62198 + x) * (tekanan atmosfir, 101325 pa)

Untuk crosscheck tekanan uap bisa membandingkan ke Boiling Point Calculator, didapat hasilnya adalah 4128 pascal yang agak sedikit berbeda, mungkin karena pembulatan.


Menghitung tekanan parsial (Pp) uap air di udara
Dari tabel Psychrometric didapat bahwa untuk udara dengan temperatur 30 derajat Celcius dan kelembaban 55%, didapat rasio kelembaban x = 0.015 kg/kg' (kg air / kg udara kering, atau gr air / gr udara kering).


Cara membaca diagram Psychrometric adalah dengan mencari temperatur 30 celcius pada bagian bawah, tarik panah ke atas sampai bertemu garis kelembaban 55%, lalu tarik garis ke kanan yang akan menunjukkan rasio kelembaban (x).

Dari data rasio kelembaban dapat dihitung tekanan partial uap air pada udara;

Tekanan partial = Pp = x / (0.62198 + x) . (tekanan atmosfir, 101325 pa)
= 0.015 / (0.62198 + 0.015) . 101325
Tekanan partial = Pp = 2386.064 pascal


Menggunakan rumus Irving Langmuir
Dengan temperatur 30 derajat Celsius yang sama dengan 30 + 273.15 = 303.15 derajat Kelvin. Untuk kelembaban udara 55%, maka kalkulasi dengan rumus Irving Langmuir akan tampak sebagaimana di bawah ini:


Dengan tekanan parsial 2386.064 pascal, maka laju penguapan akan menjadi 1.97 kg/m2/s, ini adalah penguapan maximum yang dapat terjadi pada kondisi tersebut. Sehingga untuk luas permukaan air kolam renang 100 meter persegi, air akan menguap sebesar 197 kg per detik. Dengan massa jenis air 1kg/liter maka volume air menguap adalah 197 liter per detik.

Laju penguapan akan semakin lambat jika udara mengandung uap air, atau terdapat tekanan parsial uap air di udara.  Begitu air kolam menguap, maka udara di permukaan kolam segera menjadi jenuh alias kelembaban mencapai 100% sehingga mengurangi laju penguapan menjadi nol. Jika permukaan kolam tertiup angin yang menyapu udara lembab di permukaan air kolam, maka laju penguapan akan meningkat.

Saat udara sudah jenuh air, maka tekanan uap air akan sama dengan tekanan parsial, sehingga penguapan akan sama dengan pengembunan sebagaimana yang dinyatakan oleh Irving Langmuir.

Jika tekanan parsial lebih besar dari tekanan uap air, maka hasil perhitungan akan negatif yang mengindikasikan bahan terjadi pengembunan atau kondensasi uap air dari udara menuju kolam renang, dan air kolam akan bertambah. Contoh jelas dari kondisi ini adalah saat di pagi hari, suhu udara yang menjadi dingin menjadi sangat jenuh air dan menyebabkan pengembunan.