I. Tentang Diagram Fasa
Air merupakan senyawa yang dapat berubah fasa dalam 3 bentuk fisik dengan sangat mudah. Misalkan air didinginkan, maka seketika itu air akan menjadi es. Lalu apabila es dibiarkan pada suhu ruang, maka seketika itu es akan menjadi cair. Begitu pula apabila es dipanaskan, maka seketika itu es akan menjadi uap. Semua perubahan fase dari air tersebut dapat dipelajari hanya dengan diagram yang dikenal dengan Diagram Fasa Air.
Diagram fasa air adalah sebuah diagram yang mnggambarkan perubahan-perubahan bentuk fisika air di berbagaiperubahan kondisi yaitu tekanan dan temperatur. Secara umum, diagram fasa air ditunjukkan oleh gambar berikut:
Didalam diagram fasa air diatas, terbentuk tiga buah kurva yang menjadi garis ekuilibrium dari tiga fase fisika air yaitu padat, cair, dan gas. Adapun penjelasan kurva yang saya gambarkan yaitu:
1. Kurva warna hujau: kurva yang menjadi pembatas antara fasa padat dan fasa gas. Garis ini menjadi garis ekuilibrium antara air padat dan air gas, artinya air yang berada pada temperatur dan tekanan sepanjang kurva ini dapat berfasa padat saja, atau gas saja, atau campuran dari keduanya.
2. Kurva warna biru: kurva yang menjadi pembatas antara fasa padat dan fasa cair. Garis ini menjadi garis ekuilibrium antara fasa es dengan cair.
3. Kurva warna merah: kurva yang menjadi pembatas antara fasa cair dan fasa gas. Khusus untuk kurva warna merah ini dikenal dengan sebutan “Saturated Line/Garis Jenuh”. Pada garis jenuh inilah air memiliki fasa yang sangat dikenal dengan nama “UAP Saturasi/Superheated Steam”. Di sepanjang garis saturasi, air dan uap air dapat berada di dalam satu kondisi tekanan dan temperatur yang sama.
Garis saturasi ini tepat terputus dan berhenti disebuah titik yang tepat menunjukkan tekanan sebesar 21,9 MPa dantemperatursebesar 370oC. Titik inilah yang kemudian sangat dikenal dengan “Titik Kritis/Critical Point”. Critical Point adalah titik yang berlokasi pada satu kondisi yang sama yaitu temperatur dan tekanan sama. Hal ini dikarenakan titik ini menjadi batas akhir dari kurva ekuilibrium fase cair dan fasa gas. Diatas titik critical point ini air sudah tidak lagi memiliki fasa transisi antara cair dengan gas. Air dengan kondisi tekanan dan temperatur diatas critical point disebutdengan “Super Critical”.
Kemudian, tiga buah kurva yang membentuk diagram fasa air ini akan saling bertemu di sebuah titik yang dikenal dengan sebutan “Triple Point”. Triple Point adalah titikdimana tiga fasa yaitu padat, cair, dan gas bertemu dalam satu kondisi ekuilibrium. Titik ini tepat berada pada tekanan 0,61 kPa dan temperature 0oC. Tepat pada titik kondisi tersebut, air dapat berada dalam tiga fase sekaligus yaitu fasa padat, cair, dan gas.
Adapun pembagian area berdasarkan diagram fasa diatas yaitu:
1. Arsiran warna biru (kiri): air berada dalam fasa padat
2. Arsiran warna merah (tengah): air berada dalam fasa cair
3. Arsiran warna hijau (kanan): air berada dalam fasa gas
4. Arsiran warna coklat (di atas titik kritis/critical point): air berada dalam fasa Supercritical
Fasa Supercritical yaitu fasa yang sangat berbeda dengan fasa-fasa yang lainnya. Fasa supercritical memiliki sifat yang tidak bisa dibedakan apakah dia cair ataupun gas. Fluida air supercritical mampu meresap ke benda padat selayaknya gas, namun dia juga bersifat pelarut yang baik bagi zat-zat non-polar selayaknya air liquid.
Adapun pembagian titik beku dan titik didih berdasarkan diagram fasa diatas yaitu:
1. Kurva warna biru menandakan titik beku
2. Kurva warna merah menandakan titik didih
II. Batas Fasa Cair-Gas
Batas fasaantaracair dan gas terdapat pada kurva warna merah yang ada di dalam diagram fasa diatas. Kurva warna merah tersebut disebut juga garis vaporization, yaitu garis yang memisahkan antara fasa cair dan fasa gas. Didalam kurva merah tersebut terdapat dua perubahan wujud yaitu:
- Pengembunan
Pengembunan adalah proses perubahan dari wujud gas menjadiwujud cair. Pada proses ini ditandai dengan didapatkannya cairan. Cairan ini dihasilkan dari pelesapan kalor. Pengembunan dapat terjadi apabila uap air yang ada di udara melalui permukaan yang lebih dingin dari pada titik embun uap air, sehingga uap air yang ada di udara ini langsung terkondensasi berubah menjadi embun. Kemudian embun itu akanterbentuk saat udara yang berlokasi di dekat permukaan tanah menjadi dingin mendekati titik dimana udara tidak mampu menahan semua uap air. Uap air ini lalu akan mengenbun dan menjadi tetesan air yang jatuh ke dedaunan akibat gaya gravitasi.Contohnya yaitu ketika di pagi hari pasti terdapat banyak embun di atas daun.
- Penguapan
Penguapan adalah proses perubahan dari wujud cair menjadi wujud gas. Pada proses ini ditandai dengan partikel-partikel yang lepas pada batas antara udara luar dengan permukaan zat cair. Proses ini membutuhkan kalor untuk melepaskan partikel-partikel tersebut. Contohnya yaitu ketika memasak air dengan suhu 100oC, maka dalam beberapa menit air tersebut akan mendidih dan menguap.
- Persamaan Clapeyron
Apabila dalam system satu komponen ditemukan dua fasa yaitu cair dan gas dalam kesetimbangan, maka kedua fasa tersebut memiliki energi Gibbs molar yang sama. Pada sistem yang memiliki fasa α dan β, maka:
Apabila tekanan dan suhu diubah dengan tidak berubahnya kesetimbangan, maka didapat:
Dengan menggunakan hubungan Maxwell, maka didapat:
Karena:
Maka didapat persamaan Clapeyron untuk batas cair-gas:
Selain untuk batas cair-gas, persamaan clapeyron juga dapat digunakan untuk menentukan entalpi penguapan, sublimasi, dan peleburan. Adapun persamaan antara sublimasi, peleburan, dan penguapan pada suhu tertentu yaitu didapat entalpi:
2. Persamaan Clausius-Clapeyron
Kemudian dari persamaan (3.10), entalpi penguapan bernilai positif; ΔVvap mempunyai nilai yang besar serta positif. Sehingga dP/dT mempunyai nilai yang positif juga, akan tetapi nilai dP/dT pada batas cair-gas ini jauh lebih kecil dibandingkan pada batas padat-cair.
Dikarenakan volume molar gas jauh lebih besar dibandingkan dengan volume molar cairan, maka dapat dituliskan:
Sehingga kedua perkiraan ini mampu mengubah persamaan Clapeyron yang eksak berubah menjadi persamaan Clausius-Clapeyron:
Apabila entalpi penguapan tidak tergantung pada temperatur, maka persamaan Clausius-Clapeyron akan terintegrasi menjadi:
dengan
p* = tekanan uap pada saat temperatur T*
p = tekanan tekanan uap pada saat temperatur T
Daftar Pustaka:
Atkins, P.W. 1996. Kimia Fisik Edisi Keempat Jilid 1. Jakarta: Erlangga.
Sukardjo. 2002. Kimia Fisika. Jakarta: PT Rineka Cipta.
Sutresna, Nana. 2006. Ilmu Pengetahuan Alam. Jakarta: Grafindo Media Pratama.
.jpeg)
