Transformasi Fisis Zat Murni

Transformasi Fisis Zat Murni

      Proses termodinamika dapat dilihat dari perubahan energy bebas Gibbs. Namun karena untuk zat murni fungsi Gibbs molar sistem sama dengan potensial kimia maka perubahan – perubahan spontan terjadi kearah sistem baru dengan potensial kimia lebih rendah (∆µ < 0)Perubahan spontan juga ditandai dengan arah perubahan ke entropi total yang lebih tinggi. Perubahan fasa ke sistem yang lebih teratur (misalkan pada pembekuan) memang entropinya lebih rendah (∆S < 0) tetapi selalu diikuti oleh kenaikan entropi di lingkungan yang besar, sehingga total entropinya tetap positif dengan cara melepas panas ke lingkungan.

1.     Diagram fasa

             Fasa adalah bentuk zat yang seragam di semua komposisi kimia dan keadaan fisisnya

     Fasa senyawa :

        Padat, cair, gas dan variasi padatannya

              Transisi Fasa adalah perubahan spontan dari satu fasa ke yang lain pada p dan T tertentu

            Temperatur Transisi adalah temperatur dimana dua fase berada dalam kesetimbangan dan energi           gibs menjadi minimum pada tekanan yang berlaku 

           

Dalam gas dan cairan, mobilitas molekul memungkinkan transisi fase berjalan cepat. Pengecualian  pada intan yang memiliki harga µ lebih tinggi dari pada grafit, proses perubahan transisinya berjalan sangat lambat tak terukur kecuali pada suhu tinggi dan di luar jangkauan termodinamika.

Diagram Fase menunjukkan daerah – daerah dimana tekanan dan temperatur berbagai fase bersifat stabil secara termodinamika

Batas fase memperlihatkan nilai p dan T dimana dua fase berada dalam kesetimbangan

Salah satu konsekuensi dariHk. II Termodinamika adalah bahwa pada kesetimbangan potensial kimia suatu zat adalah sama di semua titik, tidak perduli berapa fase yang ada pada titik tersebut

Jika cairan dalam vessel dipanaskan maka uap akan terbentuk dipermukaan. Pada kondisi temperatur tertentu maka uap akan sama dengan tekanar luar (eksternal), penguapan dapat terjadi melalui gelembung cairan dan uap akan memenuhi lingkngan secara cepat. Proses mendidih temperatur ini disebut titik didih

•       Titik didih adalah keadaan dimana tekanan uap cairan sama dengan tekanan uap kamar (bejanaterbuka)
•       Titik leleh adalah keadaan dimana pada tekanan dan temperatur tertentu, cairan dan padatan berada pada kesetimbangan

Pada  kondisi tekanan luar 1 atm : titik didih normal

Pada  kondisi tekanan luar 1 bar : titik didih standar

 Contoh untuk air :

Titik didih normal : 100 ֯C

Titik didih standar : 99,6  ֯C

 

a)         Cairan dalam kesetimbangan uap-air

b)        Ketika pemanasan berlanjut, kerapatan uap meningkat dan cairan menurun.

c)         Pada kondisi T dan P tertentu, batas fase menghilang, kerapatan kedua fasa dalam keadaan setimbang.

2. Tiga tipikal diagram fasa

• Diagram fasa karbondioksida 

 

• Pada 1 atm, tidak pernah dijumpai bentuk fasa karbondioksida cair

• Titik triple adalah 5,11 atm dan 216,8 K

• Tabung karbondioksida bertekanan untuk kondisi normal (temperatur 25 ֯C), didesain untuk mampu mengatasi tekanan sebesar 67 atm. Pada kondisi ini terjadi kesetimbangan fase uap-cair

• Diagram fasa air  

• terdapat es yang mampu bertahan dan meleleh pada suhu tinggi (100 ֯C).

• Titik tripel air adalah 273,16 K dan 611 Pa.
• Ada lima titik tripel

•                         Diagram fasa helium 

• kelakuan helium pada temperatur rendah relatif berbeda dengan kebanyakan materi lain. Tidak pernah dijumpai kesteimbangan padat-gas. Hal ini karena Mr ringan sehingga vibrasi atim-atom terjadi dengan amplitudo tinggi.

 1.     Ketergantungan Stabilitas Fase pada Temperatur

Entropi menunjukkan perubahan energi gibs yang tergantung dari temperatur.

((∂G / ∂T)n = -S)

Jika suhu naik, potensial kimia zat murni akan turun (karena Sm selalu negatif)

(∂µ / ∂T)p = -Sm

• Pada besar perubahan T yang sama, potensial kimia gas lebih cepat turun karena Entropy gas > entropy cairan sedangkan entropy cairan > entropy padatan
• Entropi uap sangat tinggi dibandingkan cairan dan padatan Sm (g) >Sm (l) >Sm  (s).

2.   KetergantunganStabilitasFasepada tekanan

           Jika tekanan naik, potensial kimianya akan selalu naik (nilaiVm positif) 

           (∂µ / ∂P)T = Vm 

Penambahan tekanan menaikkan potensial kimia azat murni karena

Vm>0

Vm(1)>Vm(s)

Maka pada besar kenaikan p yang sama, µ cairan naik lebih besar daripada µ padatan sehingga menaikkan titik leleh

Pada air, Vm (l) <Vm (s), maka pada besar kenaikan p yang sama, µ padatan naik lebih besar daripada µ cairan sehingga menurunkan titik leleh

3.     Lokasi batas fasa

Jika fasa α dan fasa β ada dalam kesetimbangan, potensial kimia pada batas fasa keduanya adalah sama sehingga     µα (p,T) = µβ (p,T)

Jika kemudian kondisi sistem berubah dari p1 T1 ke p2 T2 (misalnya), maka ∆µα = ∆µβ

                 Pada setiap fasa berlaku dµ=-SmdT+Vmdp sehingga pada batas

                 berlaku S

                    -Sα,mdT+Vα,mdp=-Sβ,mdT+Vβ,mdp

Dimana Sα,m dan Sβ,m adalah entropi molar dari masing-masing fasa dan Vα,m; Vβ,m adalah volume molarnya.

                 Diatur ulang menjadi

                  (Vβ,m-Vα,m)dp=(Sβ,m-Sα,m)dT

dp/dT=∆trsS/∆trsV

Persamaan diatas adalah Persamaan Clapeyron, dengan ∆Sm dan ∆Vm masing-masing adalah perubahan entropi molar dan perubahan volume molar jika terjadi transisi fasa pada kesetimbangan zat murni

                   

Batas fasa padat-cair

                 Pelelehan selalu diikuti oleh perubahan entalpi ∆Hfus dan terjadi pada T tertentu, oleh                  karena itu entropi molarnya adalah ∆fus H/T

                 Persamaan Clapeyronnya menjadi dp/dT = ∆fus H/T∆fus V

                 ∆Vfus adalah perubahan volume pada saat pelelehan dan bernilai positif

                 Bentuk kurva pada batas-batas fasanya diperoleh dengan mengintegrasi slope-nya                          yaitu dp/dT-nya.Jika suhu lelehnya T pada tekanan p, dan suhu leleh T* pada tekanan                    p* maka bentuk integrasinya adalah dp= ∆fus H/∆fus V dT/T

                  Dihasilkan persamaan sbb

p≈p*+∆fus H/∆fus V ln T/T*

                  Jika dianggap T berdekatan dengan T*, maka bentuk ln-nya bisa menjadi ln T/T*= ln (1+ T-T*/T*) ≈T-T*/T*

                  Karena ln (1+x) ≈ x jika x kecil. Hasil akhirnya adalah sbb 
                              p≈p*+∆fus H/T*∆fus V (T-T*)

                  Persamaan tersebut adalah persamaan garis lurus p vs T                                                                  dan menentukan posisi tiap titik pada batas fasa

                   

Batas fasa cair-gas

                Entropi molar penguapan pada suhu T adalah 

                 ∆Sm = ∆Hvap/T

                Persamaan Clapeyron menjadi dp/dT = ∆vapH/T∆vap V

                Nilai ∆Hvap bernilai positif dan ∆Vvap bernilai besar dan positif sehingga nilai dp/dT                   selalu bernilai positif

                   Volume molar gas >> volume molar cairan, sehingga bisa dianggap ∆Vvap  ≈Vm (g)                  Jika dianggap sebagai gas ideal maka Vm (g) = RT/p

                 Jika kemudian entalpi penguapan tidak bergantung pada temperatur maka pers.                              Tersebut akan menjadi p≈p*^e-ᵡ ƛ=∆vap H/R  (1/T-1/T*)

p* adalah tekanan pada saat T* dan p adalah tekanan pada saat T

Batas fasa cair-gas

                 Perbedaan dengan fasa cair – gas adalah hanya sekarang harga entalpinya adalah                             ∆Hsub  , Persamaan-persamaannya adalah d ln p/dT ≈∆sub H/RT²

p = p*^e-n dengan N=∆sub H/R  (1/T-1/T*)

Sumber : Atkins. 1990. Kimia Fisika jilid 1 edisi keempat. Jakarta : Erlangga.

Ditulis oleh : Asmaul Dwi Ayu Sholekah (15630044)