TRANSFORMASI FISIKA ZAT MURNI

Fasa adalah bagian sistem dengan komposisi kimia dan sifat – sifat fisik seragam, yang terpisah dari bagian sistem lain oleh suatu bidang batas. Pemahaman perilaku fasa mulai berkembang dengan adanya aturan fasa Gibbs. Transisi fase merupakan perubahan spontan yang terjadi pada temperature tertentu untuk suatu tekanan tertentu. temperature transisi merupakan temperature dimana kedua fase memiliki potensial kimia nilainya adalah sama, yakni temperature leleh dan temperature didih. Dalam gas dan cairan, mobilitas molekul-molekul memungkinkan transisi fase berlangsung secara cepat, tetapi dalam padatan, ketidakstabilan termodinamika tertangkap didalamnya.

Diagram Fase

Diagram Fase menunjukkan daerah – daerah dimana tekanan dan temperatur berbagai fase bersifat stabil secara termodinamika. Daerah umum tekanan dan temperature di mana padatan, cairan, atau gas stabil dapat ditunjukkan melalui diagram fasa. Pada umumnya diagram fasa dibangun pada keadaan kesetimbangan (kondisinya adalah pendinginan yang sangat lambat).

Garis yang memisahkan masing-masing daerah merupakan batas-batas fase dimana harga p dan T kedua fase dalam keadaan setimbang.. Temperature dimana tekanan uap cairan sama dengan tekanan kamar, atau bejananya disebut titik didih (boiling point). Titik kritis (critical Point) adalah keadaan dimana rapatan uap sama dengan rapatan sisa cairan dan permukaan antara kedua fase menghilang. Titik leleh (melting point) adalah keadaan dimana pada tekanan dan temperatur tertentu, cairan dan padatan berada pada kesetimbangan . Titik tripel (triple point) adalah keadaan dimana ketiga fase (padat, cair, dan gas) berada / bertemu pada satu kesetimbangan. Dalam hal ini, tekanan 1 atm digunakan untuk keadaan normal, sedangkan 1 bar digunakan untuk keadaan standar.

Ketergantungan Stabilitas Fase pada Temperatur

Kebergantungan potensial kimia  pada temperature adalah:

Hubungan ini memperlihatkan bahwa ketika temperature dinaikkan, maka potensial kimia zat murni berkurang (karena selalu S_m > 0, bernilai positif). Ini juga menunjukkan bahwa kemiringan kurva dimana S_m (g) > S_m (l) > S_m (s). Pada besar perubahan T yang sama, potensial kimia gas lebih cepat turun (karena entropi uap sangat tinggi) dibandingkan cairan dan padatan.

Ketergantungan Stabilitas Fase pada Tekanan

Kebanyakan zat meleleh pada T tinggi, jika tekanan diberikan pada sampel, maka tekanan akan mencegah pembentukan fase cair yang kurang rapat. Terdapat perkecualian, termasuk untuk air, dimana cairan lebih rapat daripada padatannya. Pada kasus ini tekanan akan mendorong pembentukan fase cair. Jadi air akan membeku pada T lebih rendah jika diberi tekanan. Untuk zat murni Gm = µ, maka:

kurva-kurva ini memperlihatkan efek kenaikan tekanan pada potensial kimia fase padat dan cair dan efeknya pada temperature leleh. Pada kurva (a) V_m (l) > V_m (s), sehingga pada kenaikan p yang sama, µ cairan naik lebih besar daripada µ padatan sehingga menaikkan titik leleh. Pada kurva (b) V_m (l) < V_m (s), sehingga pada kenaikan p yang sama, µ padatan naik lebih besar daripada µ cairan sehingga menurunkan titik leleh.

Lokasi Batas Fasa

Jika fasa α dan fasa β ada dalam kesetimbangan, maka:

          µα (p,T) = µβ (p,T)

Apabila p dan T berubah namun dibuat fase α dan fase β dalam keadaan setimbang, maka kita dapat menuliskan µα = µβ. Sehingga pada setiap fase berlaku,

dµ = -S_m dT + V_m dp

dan pada batas fase berlaku,

-S _{α, m} dT + V _{α, m} = -S _{β, m} dT + V _{β, m} dp

Dimana S_α,m dan S_β,m adalah entropi molar dari masing-masing  fasa dan V_α,m; V_β,m adalah volume molarnya.

Sehingga didapatkan persamaan Clapeyron:

Batas padat-cair

Peleburan disertai dengan perubahan entalpi molar ∆H_fus dan terjadi pada temperature T. oleh karena itu entropi peleburan molar pada T adalah ∆H_fus/T, maka persamaa clapeyron menjadi:

Entalpi peleburan bernilai positif dan perubahan volume biasanya positif tetapi selalu kecil. Jika suhu lelehnya T pada tekanan p, dan suhu leleh T* pada tekanan p* maka,

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

Batas cair-uap

Entropi molar penguapan pada temperature T sama dengan ∆H_vap / T. Oleh karena itu persamaan Clapeyron menjadi,

Entalpi penguapan bernilai positif, ∆V_vap bernilai besar dan positif. Oleh karena itu dp/dT selalu positif, tetapi jauh lebih kecil daripada dp/dT pada batas padat-cair. Jika kemudian entalpi penguapan tidak bergantung pada temperatur maka,

            p = p*e^-C dengan

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

Batas padat-uap

Perbedaan dengan fasa cair – gas adalah hanya sekarang harga entalpinya adalah ∆H_sub, Persamaan-persamaannya adalah:

            p = p*e^-C dengan

Karena entalpi sublimasi lebih besar daripada entalpi penguapan, persamaan ini akan menunjukkan kepada kita akan adanya kemiringan kurva sublimasi yang lebih tajam dari kurva penguapan, di dekat kedua kurva itu bertemu.

Sumber : Atkins, P.W. 1996. Kimia Fisika Jilid 1 Edisi Keempat. Jakarta: Erlangga

Oleh: Nur Aini Wahdaniyah (15630049)