Hubungan Derajat Kebebasan dengan Berbagai Informasi

pada Diagram Fasa Tiga Dimensi (PvT)

oleh Anifah, 1106011461, Teknik Kimia

A. Pengertian Diagram Fasa Tiga Dimensi

Diagram fase adalah sejenis grafik yang

digunakan untuk menunjukkan kondisi

kesetimbangan antara fase-fase yang berbeda

dari suatu zat yang sama. Ada dua jenis diagram

fasa yakni diagram fasa 2D dan diagram fasa 3D.

Diagram fasa 3 dimensi adalah grafik tiga

dimensi (3D) yang menunjukkan tiga kuantitas

termodinamika. Sebagai contoh, untuk sebuah

komponen tunggal, koordinat 3D Cartesius dapat

menunjukkan temperatur (T), tekanan (P), dan volume jenis (v). Grafik 3D tersebut

kadang-kadang disebut diagram P-v-T. Kondisi kesetimbangan akan ditunjukkan sebagai

permukaan tiga dimensi dengan luas permukaan untuk fase padat, cair, dan gas. Garis

pada permukaan tersebut disebut garis tripel di mana zat padat, cair, dan gas dapat berada

dalam kesetimbangan. Titik kritis masih berupa sebuah titik pada permukaan bahkan

pada diagram fase 3D. Proyeksi ortografi grafik P-v-T 3D yang menunjukkan tekanan

dan temperatur sebagai sumbu vertikal dan horizontal akan menurunkan plot 3D tersebut

menjadi diagram tekanan-temperatur 2D. Ketika hal ini terjadi, permukaan padat-uap,

padat-cair, dan cair-uap akan menjadi tiga kurva garis yang akan bertemu pada titik

tripel, yang merupakan proyeksi ortografik garis triple. Beberapa informasi yang dapat

diperoleh dari diagram fasa 3D ini adalah tekanan uap jenuh, titik didih normal, titik

kritik dan titik triple.

B. Pengertian Derajat Kebebasan

Sementara itu secara sederhana, yang dimaksud dengan derajat kebebasan

suatu sistem adalah bilangan terkecil yang menunjukkan jumlah variabel bebas (suhu,

tekanan, konsentrasi komponen-komponen) yang harus diketahui untuk menggambarkan

Figure 1. Diagram Fasa 3D (PVT)

keadaan sistem. Untuk zat murni, diperlukan hanya dua variabel untuk menyatakan

keadaan, yaitu P dan T, atau P dan V, atau T dan V. Variabel ketiga dapat ditentukan

dengan menggunakan persamaan gas ideal. Sehingga, sistem yang terdiri dari satu gas

atau cairan ideal mempunyai derajat kebebasan dua (F = 2)

Pemahaman tentang diagram fasa akan lebih mudah dengan pemahaman Hukum

Fasa Gibbs. Aturan fasa Gibbs ini menyatakan bahwa untuk kesetimbangan apapun

dalam suatu sistem tertutup, jumlah variabel bebas atau disebut derajat kebebasan adalah

sama dengan jumlah komponen ditambah 2 dikurangi jumlah fasa. Secara matematis

dapat ditulis sebagai berikut:

F=C+2-P……………….. (i)

dimana, F adalah derajat kebebasan, C adalah jumlah komponen dan P adalah

jumlah fasa.

Dalam titik tertentu pada diagram fasa, jumlah derajat kebebasan adalah 2± yakni

suhu dan tekanan; bila dua fasa dalam kesetimbangan-sebagaimana ditunjukkan dengan

garis yang membatasi daerah dua fasa hanya ada satu derajat kebebasan-bisa suhu atau

tekanan. Pada titik tripel ketika terdapat tiga fasa tidak ada derajat kebebasan lagi. Dari

diagram fasa, dapat dikonfirmasi apa yang telah diketahui, dan lebih lanjut, dapat

dipelajari apa yang belum diketahui. Misalnya, kemiringan yang negatif pada perbatasan

padatan-cairan memiliki implikasi penting sebagaimana dinyatakan di bagian kanan

diagram, yakni bila tekanan diberikan pada es, es akan meleleh dan membentuk air.

Berdasarkan prinsip Le Chatelier, bila system pada kesetimbangan diberi tekanan,

kesetimbangan akan bergeser ke arah yang akan mengurangi perubahan ini. Hal ini

berarti air memiliki volume yang lebih kecil, kerapatan lebih besar daripada es sehingga

es akan mengapung di air. Sebaliknya, air pada tekanan 0,0060 atm berada sebagai

cairan pada suhu rendah, sementara pada suhu 0,0098 °C, tiga wujud air akan ada

bersama. Titik ini disebut titik tripel air. Tidak ada titik lain di mana tiga wujud air ada

bersama. Selain itu, titik kritis (untuk air, 218 atm, 374°C), yang telah Anda pelajari, juga

ditunjukkan dalam diagram fasa. Bila cairan berubah menjadi fasa gas pada titik kritis,

muncul keadaan antara (intermediate state), yakni keadaan antara cair dan gas. Dalam

diagram fasa keadaan di atas titik kritis tidak didefinisikan.

Figure 2. Diagram Fasa 2D

Titik kritis adalah bagian ujung dari kurva tekanan uap.Ada dua variable dari titik

kritik sendiri yaitu:

Temperature kritik (Tc) yaitu temperature pada titik kritik

Tekanan kritik (Pc) yaitu tekanan pada titik kritik.

Pada temperature diatas Tc, tidak mungkin untuk mencairkan gas, berapapun

besarnya tekanan yang diberikan. Pada tekanan dan temperature diatas titik kritik, akan

terbantuk suatu fluida Superkritik. Fluida superkritik adalah suatu gas yang memiliki

kerapatan yang serupa dengan zat cair dan memiliki viskositas yang serupa dengan gas

Sementara itu pada titik tripel, semua fasa berada dalam keadaan setimbang.

Temperature dan tekanan tetap. Titik tripel untuk air ada pada temperature 0,01oC dan

tekanan 4,58 mmhg.

Figure 3. Titik Tripel pada diagram fasa 2D

Pada titik tripel, semua fasa berada dalam keadaan setimbang. Temperature dan

tekanan tetap. Titik tripel untuk air ada pada temperature 0,01oC dan tekanan 4,58 mmhg.

Berdasarkan aturan gibbs, dimana rumus derajat kebebasan adalah F = C – P + 2 )

dimana C = jumlah minimum komponen yang menentukan system ; P = jumlah fasa ; 2 =

variable yang menentukan system. Maka, derajat kebebasan untuk air pada titik tripel

adalah :

F = 1 + 3 + 2 ( karena C = 1, yaitu air ; P = 3 yaitu es, air dan uap)

Referensi

J.M. Smith, H.C. van Ness, and M.M. Abbott. 1976. Theory and Problems of Thermodynamics,

2th ed., McGraw Hill.

Permana, Teguh. 2009. “Diagram Fasa dan Kesetimbangan Fasa” .

http://k6tiumb.blogspot.com/2009_10_01_archive.html. (diakses pada Rabu, 13

Februari 2013 pukul 16.00 WIB)

Wahyudi, Eka Setia. 2012. “Diagram Fasa”.

http://ekasetiawahyudi.blogspot.com/2012/11/diagran-fasa.html. (diakses pada Rabu,

13 Februari 2013 pukul 16.00 WIB)