Laju Penguapan Air Per Luas Permukaan

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

Satuannya adalah kg/m2/sekon. Jika laju penguapan tersebut hanya dalam satuan kg/m2, tidak per sekon, maka disebut sebagai evaporation rate.

Rumus ini juga dikenal sebagai persamaan Hertz–Knudsen, atau Knudsen-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, jumlah molekul-molekul air yang hilang karena penguapan adalah sama dengan jumlah molekul-molekul uap air di udara yang menabrak permukaan air saat terjadi kesetimbangan. 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 tekanan titik didih pada 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 air (0,01801528 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.

Rumus Langmuir tidak menghitung faktor kecepatan angin di permukaan air. Rumus Langmuir menggunakan parameter tekanan dan temperatur saja, untuk menghitung laju penguapan dan pengembunan melalui permukaan air.

Bus Udara Transportasi Masa Depan saran solusi transportasi Jakarta, Bogor, Depok, Bekasi, Tanggerang, yang cepat, bebas macet dan banjir. Helikopter Mil Mi 26 daya angkut 90 penumpang membuat ongkos ticketnya jadi terjangkau. Estimasi Rp 200.000 Bogor-Jakarta, Rp 100.000 Depok-Jakarta.

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 Torr. 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)

= 0.027 / (0.62198 + 0.027) * 101325

Tekanan uap = Pv = 4215.5 pascal

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.

Tapi pada kenyataanya penguapan aktual lebih rendah, yaitu sekitar 1/100.000 sampai dengan 1/1.000.000 lebih kecil dari perhitungan. Hal ini karena adanya lapisan uap air pada permukaan air kolam, yang mendekati kondisi uap jenuh. Sehingga penguapan jauh lebih kecil. Sebagaimana dikutip dari buku Frank E. Jones berjudul Evaporation of Water With Emphasis on Applications and Measurements. Jones mengutip pendapat tersebut dari De Boer dalam buku The Dynamical Character of Adsorption.

Dalam buku Jones juga tercantum bahwa penguapan air laut di wilayah tropis adalah sekitar 2 meter per tahun, atau sekitar 5.5 mm per hari. Sebagaimana dikutip dari tulisan Patrick Paroline penguapan air kolam sekitar 1/4 - 1/2 inchi per hari, atau sekitar 6,4-12,7 mm per hari.


Bagaimana jika kelembaban udara meningkat?
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 dengan uap air, maka tekanan uap air akan sama dengan tekanan parsialnya di udara, sehingga laju penguapan akan sama dengan laju pengembunan sebagaimana yang dinyatakan oleh Irving Langmuir.

Jika tekanan parsial lebih besar dari tekanan uap air, maka hasil perhitungan akan negatif yang mengindikasikan bahwa 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.

Apa yang terjadi jika tekanan udara adalah 0 atau vakum? 
Untuk menambah wawasan mari kita coba menghitung laju penguapan jika tidak ada tekanan atmosfir alias vakum. Jika tekanan atmosfir berkurang hingga vakum, maka tekanan parsial uap air di udara pada saat itu adalah nol alias tidak ada uap air, akan terjadi penguapan maximal.

Sehingga didapat laju penguapan tiap meter persegi per detiknya adalah 4.51 kg/m2/s, ini adalah penguapan maximum yang dapat terjadi pada kondisi vakum tersebut. Penguapan akan berkurang jika area diatas permukaan air dipenuhi oleh uap, penguapan akan menjadi nol jika area diatas permukaan air sudah jenuh uap atau terdapat tekanan partial yang maximal diatas permukaan air.

Video air mendidih pada temperatur sekitar 28 - 30 derajat celcius dengan cara mengurangi tekanan udara atau divakum, silahkan lihat disini.

Sistem satuan akan sangat membingungkan pada perhitungan yang menggunakan rumus-rumus turunan sebagaimana diatas. Untuk itu konversi satuan berikut bisa membantu:

1 atmosfir = 101325 pascal = 14.69595 psi = 29.92126 inches hg = 760 mm hg = 760 torr

Temperatur Fahrenheit ke Celsius: (°F - 32) x 5/9 = °C