Soal

Pada hari panas dan kering, pohon besar dengan persediaan air cukup dapat mengevapotranspirasikan sekitar $500\,\text{L}=5{,}0\times10^{-1}\,\text{m}^3$ air. Karena transpirasi terutama terjadi saat ada cahaya, anggap proses berlangsung dua belas jam. Tajuk pohon menutupi luas tanah $A_{\text{tree}}=50\,\text{m}^2$ . Massa jenis air dan kalor laten penguapannya pada tekanan atmosfer adalah

\rho_{\text{water}}=1{,}0\times10^3\,\text{kg}\!\cdot\!\text{m}^{-3}, \qquad L_v=2{,}26\times10^6\,\text{J}\!\cdot\!\text{kg}^{-1}.

Hitung massa air yang dievapotranspirasikan dalam sehari dan energi untuk menguapkannya.
Jelaskan mengapa proses ini menghasilkan pendinginan.
Hitung daya pendinginan rata-rata pohon per meter persegi selama dua belas jam transpirasi aktif.
Sebagai pembanding, tinjau pendingin udara dengan daya listrik $P_{\mathrm{el}}=7{,}0\times10^2\,\text{W}$ , koefisien performa pendinginan $\mathrm{COP}=3{,}0$ , yang mendinginkan ruangan seluas $A_{\text{room}}=20\,\text{m}^2$ . Menurut definisi, $\mathrm{COP}=P_{\text{cool}}/P_{\mathrm{el}}$ . Hitung daya pendinginan dan daya per meter persegi, lalu bandingkan dengan pohon.
Mengapa pohon dan pendingin udara tidak dapat dianggap memberikan sensasi dingin yang persis sama, meskipun daya per satuan luasnya berorde sama?
Dapatkah banyak tanaman dalam ruangan mendinginkan rumah? (Pengetahuan umum: jawabannya bergantung pada proses biologis.)

Petunjuk

Gunakan

m=\rho V

,

Q_{\mathrm{evap}}=mL_v

, dan

P=Q/\tau

. Untuk pendingin udara,

P_{\text{cool}}=\mathrm{COP}\,P_{\mathrm{el}}

.

Pembahasan terperinci

Solusi

1.

m=\rho_{\text{water}}V=1{,}0\times10^3\times5{,}0\times10^{-1} =5{,}0\times10^2\,\text{kg}, Q_{\mathrm{evap}}=mL_v=5{,}0\times10^2\times2{,}26\times10^6 =1{,}13\times10^9\,\text{J}.

Orde besarannya satu gigajoule.

2. Penguapan adalah perubahan fase endotermik: memerlukan energi

Q_{\mathrm{evap}}

. Energi ini berasal terutama dari radiasi matahari yang diserap oleh dedaunan: alih-alih memanaskan daun (kalor terasa), energi matahari yang diterima diubah menjadi kalor laten penguapan. Daun pun tetap lebih sejuk dibandingkan jika seluruh energi yang diserap berubah menjadi kenaikan suhunya, dan dari situlah efek pendinginan evapotranspirasi berasal. 3. Dua belas jam ialah

\tau=12\times3600=4{,}32\times10^4\,\text{s}

. Maka

P_{\text{tree}}=\frac{Q_{\mathrm{evap}}}{\tau} =\frac{1{,}13\times10^9}{4{,}32\times10^4}\approx2{,}62\times10^4\,\text{W},

dan per satuan luas

\frac{P_{\text{tree}}}{A_{\text{tree}}} =\frac{2{,}62\times10^4}{50}\approx5{,}2\times10^2\,\text{W}\!\cdot\!\text{m}^{-2}.

Pemeriksaan kewajaran: karena energi ini terutama berasal dari radiasi matahari yang diserap (pertanyaan 2), cukup meyakinkan bahwa $5{,}2\times10^2\,\text{W}\!\cdot\!\text{m}^{-2}$ berorde sama dengan iradiansi matahari yang diterima permukaan tanah pada hari cerah, yang mencapai sekitar $10^3\,\text{W}\!\cdot\!\text{m}^{-2}$ pada puncaknya dan beberapa ratus $\text{W}\!\cdot\!\text{m}^{-2}$ sebagai rata-rata harian. Ini menegaskan bahwa pohon dengan pasokan air yang cukup, pada hari panas dan cerah, dapat membuang sebagian besar energi matahari yang diterimanya melalui transpirasi.

4.

P_{\text{cool}}=\mathrm{COP}\,P_{\mathrm{el}} =3{,}0\times7{,}0\times10^2=2{,}1\times10^3\,\text{W}, \frac{P_{\text{cool}}}{A_{\text{room}}} =\frac{2{,}1\times10^3}{20}\approx1{,}1\times10^2\,\text{W}\!\cdot\!\text{m}^{-2}.

Dalam model ini, daya evapotranspirasi pohon per luas sekitar lima kali pendingin udara biasa.

5. Perbandingan hanya menyangkut aliran energi. Pendingin udara mendinginkan ruang tertutup dan terkendali, sedangkan uap pohon menyebar ke atmosfer dan angin membawa udara hangat. Efek yang dirasakan bergantung pada ventilasi, kelembapan, suhu, dan jarak dari pohon. Transpirasi juga berubah dengan sinar matahari, angin, kelembapan, spesies, serta air yang tersedia, dan dapat sangat berkurang saat kekeringan. Pohon juga memberi naungan sehingga langsung mengurangi radiasi matahari pada tanah dan manusia. Jadi perhitungan membandingkan orde besaran, bukan kesetaraan tepat kenyamanan termal. 6. Dalam praktik, efek pendinginan tanaman dalam ruangan sangat kecil. Pada kebanyakan tanaman, cahaya mendorong stomata membuka; uap air keluar melalui pori kecil pada daun ini. Cahaya dalam ruangan biasanya lemah sehingga stomata kurang terbuka dan transpirasi menurun. Di ruangan kurang berventilasi, kenaikan kelembapan juga makin memperlambat penguapan. Banyak tanaman dapat memberi sedikit pendinginan evaporatif setempat, tetapi tidak menggantikan pendingin udara. Untuk terus mengeluarkan energi dari rumah, udara lembap harus dibuang ke luar. Pencahayaan buatan kuat mungkin merangsang transpirasi, tetapi energi listriknya hampir seluruhnya akan menjadi panas di ruangan. Tanaman CAM yang beradaptasi dengan lingkungan kering, termasuk kaktus, merupakan pengecualian: stomatanya terutama terbuka pada malam hari.