Kalkulator Titik Didih Ketinggian | Suhu Air pada Ketinggian

Fungsi kalkulator

Kalkulator titik didih berdasarkan ketinggian mencari suhu saat air mendidih pada ketinggian tertentu di atas permukaan laut. Air mendidih pada suhu yang lebih rendah ketika ketinggian bertambah karena tekanan udara dari atas lebih kecil. Di permukaan laut, air mendidih pada hampir tepat 100 °C (212 °F). Di puncak Gunung Everest, pada ketinggian 8.848 m, air mendidih pada sekitar 70 °C (158 °F).

Masukkan ketinggian, lalu alat ini menampilkan titik didih dalam Celsius dan Fahrenheit, serta tekanan udara setempat. Hal ini berpengaruh pada memasak, keamanan pangan, pembuatan minuman, dan pekerjaan laboratorium, yang semuanya bergantung pada seberapa panas air mendidih sebenarnya.

Mengapa air mendidih pada suhu lebih rendah di tempat tinggi

Air mendidih ketika tekanan uapnya sama dengan tekanan udara yang menekannya. Tekanan uap adalah dorongan uap yang berusaha keluar dari cairan. Di permukaan laut, tekanan udara tinggi, sehingga air harus mencapai 100 °C agar tekanan uapnya dapat menyamainya. Semakin tinggi tempatnya, udara semakin tipis dan tekanannya semakin kecil, sehingga air mencapai titik keseimbangan itu pada suhu yang lebih rendah.

Titik didih air berdasarkan ketinggian

Cara menghitung titik didih pada ketinggian tertentu

Perhitungannya terdiri dari dua langkah: mengubah ketinggian menjadi tekanan udara, lalu mengubah tekanan udara menjadi titik didih.

Langkah 1: ketinggian menjadi tekanan udara

Tekanan udara turun dengan cara yang dapat diperkirakan ketika ketinggian bertambah. Alat ini menggunakan rumus barometrik Atmosfer Standar Internasional (ISA), yang berlaku di troposfer, dari permukaan laut hingga sekitar 11 km:

$P_{\text{inHg}} = 29.921 \times \left(1 - 6.8753\times10^{-6} \times h_{\text{ft}}\right)^{5.2559}$

Di sini $h_{\text{ft}}$ adalah ketinggian dalam kaki, sedangkan $P_{\text{inHg}}$ adalah tekanan setempat dalam inci merkuri (satuan yang digunakan ahli meteorologi untuk tekanan barometrik).

Langkah 2: tekanan udara menjadi titik didih

Air mendidih ketika tekanan uapnya sama dengan tekanan udara di sekitarnya, sehingga titik didih pada ketinggian tertentu hanyalah suhu jenuh air pada tekanan tersebut. Pendekatan garis lurus sederhana antara tekanan dan suhu tampak menarik, tetapi kurva sebenarnya melengkung: garis yang ditambatkan pada permukaan laut akan menyimpang beberapa derajat terlalu rendah ketika mencapai ketinggian yang besar.

Untuk menghindari kesalahan itu, kalkulator ini menggunakan rumus IAPWS-IF97, yaitu persamaan standar internasional untuk sifat air dan uap yang diterbitkan oleh International Association for the Properties of Water and Steam. Rumus tersebut memberikan suhu jenuh yang tepat untuk setiap tekanan antara titik tripel air (ketika es, cairan, dan uap dapat berada bersama-sama) dan titik kritisnya (ketika perbedaan antara cairan dan gas menghilang):

$T_s(\text{K}) = \text{persamaan suhu jenuh Region 4 IAPWS-IF97, } T_s(P)$ $T(°C) = T_s(\text{K}) - 273.15, \qquad T(°F) = T(°C) \times \tfrac{9}{5} + 32$

Persamaan lengkapnya menggabungkan sepuluh koefisien hasil pencocokan dengan tekanan yang dipangkatkan 0,25, lalu menyelesaikan dua persamaan kuadrat bersarang. Persamaan ini tidak praktis dihitung secara manual, tetapi hampir persis mereproduksi tabel uap hasil pengukuran laboratorium. Karena itu, persamaan ini diandalkan oleh para insinyur pembangkit listrik dan insinyur yang menyusun tabel uap.

Contoh perhitungan

Denver, Colorado, berada pada ketinggian sekitar 1.609 m (5.280 kaki), sehingga mendapat julukan "Kota Setinggi Satu Mil."

1. Ubah ke kaki: 1.609 m × 3,28084 = 5.280 kaki.
2. Masukkan ke rumus tekanan: $P = 29.921 \times (1 - 6.8753\times10^{-6} \times 5{,}280)^{5.2559} \approx 24.64$ inHg, yang setara dengan sekitar 83,4 kPa.
3. Cari suhu jenuh untuk 83,4 kPa menggunakan persamaan IAPWS-IF97: sekitar 94,6 °C (202,3 °F).

Jadi, air di Denver mendidih pada sekitar 94,6 °C, bukan 100 °C, atau sekitar 5,4 °C lebih rendah daripada di permukaan laut.

Akurasi dan batasan

• Di bawah sekitar 11 km: langkah dari tekanan ke suhu pada dasarnya tepat karena menggunakan persamaan yang sama dengan yang dipakai untuk menyusun tabel uap resmi. Sumber kesalahan utamanya adalah langkah dari ketinggian ke tekanan, yang mengasumsikan atmosfer standar; cuaca nyata dapat mengubah hasil hingga sekitar 1 °C.
• Di atas 11 km: ketinggian tersebut berada di luar troposfer, yang menjadi cakupan rumus barometrik, sehingga hasilnya menjadi ekstrapolasi. Kalkulator menandai kasus ini.
• Jauh di luar model: di atas sekitar 27,5 km, tekanan yang dimodelkan turun di bawah tekanan titik tripel air sebesar 611,657 Pa, saat air cair tidak dapat ada. Tidak ada titik didih yang dapat dilaporkan, sehingga kalkulator tidak memberikan jawaban, bukan mengarangnya.
• Zat terlarut: garam atau gula sedikit menaikkan titik didih. Melarutkan sekitar 58 g garam dapur dalam satu liter air menaikkannya sebesar 1 °C. Menambahkan garam ke air pasta sebanyak biasanya, yaitu 10 g per liter, menaikkannya sekitar 0,2 °C, terlalu kecil untuk terasa.
• Di bawah permukaan laut: tempat seperti pantai Laut Mati (sekitar 430 m di bawah permukaan laut) memiliki tekanan udara lebih tinggi daripada permukaan laut, sehingga air mendidih sedikit di atas 100 °C, yaitu sekitar 101,4 °C (214,5 °F).

Mengapa titik didih penting

• Memasak: pada ketinggian 2.000 m, suhu air hanya mencapai sekitar 93 °C. Air tetap tampak mendidih kuat, tetapi suhunya lebih rendah, sehingga pasta, nasi, dan telur memerlukan waktu memasak lebih lama. Panci presto memerangkap uap dan meningkatkan tekanan di dalamnya, sehingga titik didih naik hingga sekitar 121 °C. Karena itu, juru masak di daerah tinggi menggunakannya.
• Keamanan pangan dan air: perebusan tetap membunuh sebagian besar patogen yang ditularkan melalui air, tetapi CDC merekomendasikan perebusan selama 3 menit penuh di atas sekitar 2,000 m, bukan 1 menit, karena suhu yang lebih rendah memerlukan waktu lebih lama untuk bekerja.
• Laboratorium dan industri: autoklaf, kolom distilasi, dan rangkaian refluks yang dikalibrasi di permukaan laut tidak bekerja dengan cara yang sama di tempat tinggi dan mungkin perlu disesuaikan.

Pertanyaan yang sering diajukan

Mengapa air mendidih pada suhu lebih rendah di tempat tinggi?

Perebusan dimulai ketika tekanan uap air menyamai tekanan udara di sekitarnya. Di tempat tinggi, jumlah udara di atasnya lebih sedikit, sehingga tekanan yang harus disamai juga lebih kecil dan air mencapai titik itu pada suhu yang lebih rendah.

Seberapa besar penurunan titik didih setiap 1.000 kaki?

Kira-kira 1 °C (sekitar 1,8 °F) setiap 1.000 kaki di dekat permukaan laut, atau sekitar 3,3 °C setiap 1.000 m. Penurunannya sedikit lebih besar seiring ketinggian, mencapai sekitar 3,5 °C setiap 1.000 m di dekat 11 km. Udara lebih dingin di sana, sehingga tekanan turun lebih cepat pada setiap kenaikan ketinggian.

Pada suhu berapa air mendidih di Gunung Everest?

Sekitar 70 °C (158 °F) di puncak pada ketinggian 8.848 m, dibandingkan dengan 100 °C di permukaan laut. Inilah salah satu alasan salju membutuhkan waktu lama untuk mencair menjadi air di gunung.

Mengapa titik didih di permukaan laut 99,97 °C dan bukan tepat 100 °C?

100 °C adalah angka yang dibulatkan dan diwarisi dari skala sentigrade lama. Pada skala suhu yang digunakan saat ini (ITS-90), air pada tekanan atmosfer standar sebesar 101,325 kPa mendidih pada 99,974 °C. Kalkulator melaporkan nilai tersebut, yang tetap terbaca 100,0 °C setelah dibulatkan ke satu angka desimal.

Apakah air mendidih pada suhu lebih tinggi di bawah permukaan laut?

Ya. Di bawah permukaan laut, tekanan udara lebih tinggi daripada rata-rata di permukaan laut, sehingga air memerlukan suhu sedikit lebih tinggi sebelum tekanan uapnya dapat menyamai tekanan tersebut. Di pantai Laut Mati, air mendidih pada sekitar 101,4 °C.

Apakah hal ini memengaruhi waktu memasak?

Ya. Karena airnya lebih dingin, makanan memerlukan waktu lebih lama untuk matang saat direbus. Penyesuaian yang umum adalah menambahkan sekitar 15–25% pada waktu memasak dengan air mendidih di atas sekitar 5.000 kaki (1.500 m), atau menggunakan panci presto.

Seberapa akurat kalkulator ini?

Dalam kisaran sekitar 1 °C hingga 11 km pada kondisi umum. Cuaca yang tidak biasa mengubah tekanan udara setempat dan dapat sedikit mengubah hasil; untuk pekerjaan penting, ukur tekanan barometrik sebenarnya alih-alih hanya mengandalkan ketinggian.

Referensi

1. International Association for the Properties of Water and Steam (IAPWS). Rilis Revisi Formulasi Industri IAPWS 1997 untuk Sifat Termodinamika Air dan Uap (IF97), persamaan saturasi Region 4.
2. Layanan Cuaca Nasional NOAA — Atmosfer standar / tekanan–ketinggian.
3. Pusat Pengendalian dan Pencegahan Penyakit Amerika Serikat — Disinfeksi air saat bepergian: perebusan.
4. Lide, D. R. (ed.). CRC Handbook of Chemistry and Physics — tabel tekanan uap air.
5. Departemen Pertanian Amerika Serikat, Layanan Inspeksi dan Keamanan Pangan — Memasak di ketinggian dan keamanan pangan.