Pergetaran merambat ke molekul di sampingnya
C.3. KONVERSI KALOR MENJADI KERJA, PROSES SIKLUS DAN EFISIENSI MESIN Standar Kompetensi:
C.3.5. Diagram PT dan Titik kritis
Diagram PT untuk zat murni secara umum dapat dilihat dalam gambar berikut ini. Diagram ini sering juga disebut dengan diagram fasa zat karena menunjukkan ketiga jenis fasa zat yang dipisahkan oleh garis.
Gambar 5.c.17. Diagram PT zat murni
Berdasarkan Gambar 5.c.17, Garis Sublimation line (garis sublim) memisahkan daerah uap (vapor) dengan daerah beku (solid). Garis vaporization line (garis penguapan) memisahkan daerah cair dari daerah uap. Garis melting line (garis leleh) memisahkan daerah beku dari daerah cair. Pada gambar, terlihat dua lokasi untuk garis melting line yang dibedakan dengan jenis garis. Garis putus-putus melting
line merupakan garis melting line untuk zat yang memuai saat beku, sementara untuk zat
yang menyusut saat beku garis melting line nya berupa garis biasa. Dari gambar di atas terlihat bahwa kondisi liquid (cair) hanya dapat terjadi pada tekanan dibawah tekanan triple point.
Untuk zat yang menyusut saat beku, kondisi liquid ini juga harus memenuhi syarat, bahwa suhunya haruslah berada diatas suhu triple point. Bila suhunya dibawah suhu
triple point, maka zat tersebut sudah dapat dipastikan berada dalam keadaan beku. Untuk
zat yang memuai saat beku seperti air, kondisi liquid dapat terjadi pada suhu dibawah suhu triple point apabila tekanannya jauh lebih tinggi dari tekanan triple point. Sebagai contoh, air akan berada dalam bentuk es pada tekanan 1 atm dan suhu dibawah 0°C. Tetapi, bila tekanannya jauh lebih tinggi dari 1 atm (0,1 Mpa) katakanlah misalnya pada tekanan 200 MPa, maka pada suhu -20 °C air tidak berada dalam bentuk es, melainkan dalam bentuk cair.
Pada proses perubahan wujud zat dari beku menjadi uap dapat diilustrasikan seperti pada Gambar 5.c.18.
Gambar 5.c.18. Diagram PT untuk proses perubahan wujud zat dari beku ke uap (sumber: www.chemguide.co.uk)
Berdasarkan Gambar 5.c.18, bidang a – b – d merupakan bidang cair dari zat yang memuai saat beku. Artinya, semua kombinasi Tekanan dan Suhu dari zat yang berada di bidang ini berada pada keadaan cair. Bidang c – b – d merupakan bidang cair dari zat yang menyusut saat beku. Proses perubahan wujud zat dari beku menjadi uap dapat terjadi melalui dua mekanisme. Pada proses yang ditandai dengan panah merah di atas, merupakan proses yang lazim, yakni zat dari keadaan beku berubah menjadi cair kemudian berubah menjadi uap.
Sementara pada proses yang ditandai dengan panah biru, perubahan dari bentuk beku (padat) menjadi uap terjadi tanpa melalui proses pelelehan (mencair). Bila kita mau membayangkannya, bayangkanlah batu es yang berubah menjadi uap air tanpa mencair terlebih dahulu. Proses ini disebut dengan menyublim. Dan dapat terjadi pada tekanan dan suhu dibawah tekanan dan suhu triple point.
Selanjutnya untuk perubahan dari fase padat ke cair akibat perubahan temperatur dilustrasikan oleh Gambar 5.c.19. Anggap, anda mempunyai zat padat dan temperatur bertambah dengan tekanan dijaga konstan. Karena kenaikan temperatur akan memotong menyilang kurva (lihat grafik), fase padat berubah menjadi cair. Dengan kata lain, zat tersebut melebur.
Jika anda mengulangi keadaan tersebut untuk tekanan konstan yang lebih besar, temperatur peleburan akan lebih besar karena area yang dibatasi garis diantara fase padat dan cair semakin mendekat sebagaimana Gambar 5.c.20.
Gambar 5.c.19. Diagram PT untuk perubahan dari fase padat ke cair (sumber: www.chemguide.co.uk)
Gambar 5.c.20. Diagram PT untuk perubahan dari fase padat ke cair pada tekanan konstan yang lebih tinggi
(sumber: www.chemguide.co.uk)
Jika kita menurunkan tekanan sebuah zat padat pada temperatur konstan, maka zat akan tetap melebur sebagaimana diilustrasikan pada Gambar 5.c.21.
Gambar 5.c.21. Perubahan dari fase padat ke cair pada temperatur konstan (sumber: www.chemguide.co.uk)
Untuk perubahan dari fase cair menjadi uap, dapat dilakukan pula dengan mengubah temperatur atau tekanannya. Zat cair akan berubah menjadi uap-mendidih- ketika zat tersebut memotong garis batas diantara kedua area. Jika temperatur dibuat bervariasi, akan memudahkan kita membaca titik didih dari diagram fase. Pada Gambar 5.c.22, peningkatan temperatur yang ditunjukkan oleh tanda panah merah yang menerobos kurva, akan terjadi keseimbangan antara fase cair dan uap. Garis tersebut memudahkan untuk menjelaskan pengaruh tekanan terhadap titik didih dari zat cair. Apabila tekanan bertambah maka titik didihnya akan naik dan begitu pula sebaliknya. Kondisi ini yang menjelaskan mengapa di daerah-daerah dengan tekanan udara rendah menyebabkan titik didih air semakin rendah. Sebagai contoh kalau kita memasak air di kota Malang dan Bandung air akan mendidih di bawah suhu 100oC. Semakin tinggi tempat dari permukaan air laut maka tekanannya akan turun sehingga titik didihnya semakin rendah.
Gambar 5.c.22. Diagram PT untuk perubahan dari fase cair ke uap pada temperatur konstan (sumber: www.chemguide.co.uk)
Titik kritis
Kita akan mencatat bahwa garis (kurva) keseimbangan pada fase cair-uap akan dibatasi oleh label C sebagimana pada Gambar 5.c.23. Titik tersebut dikenal dengan critical point. Temperatur dan tekanan yang saling berpengaruh dikenal dengan critical temperature dan critical pressure.
Jika tekanan gas (uap) bertambah pada temperatur yang lebih rendah dari temperatur kritis, maka akan melampaui garis setimbang cair-uap dan uap akan terkondensasi menjadi cair. Namun tidak mungkin untuk mengkondensasi gas menjadi cair di atas temperatur kritis hanya dengan penambahan tekanan. Temperatur kritis bervariasi untuk setiap bahan tergantung kekuatan tarik –menarik diantara partikel- partikel penyusunnya. Gaya tarik antara partikel yang kuat, temperatur kritisnya lebih tinggi.
Gambar 5.c.23. Kurva PT untuk keadaan kritis (sumber: www.chemguide.co.uk) Titik Tripel (triple point)
Titik T pada Gambar 5.c.23, disebut sebagai titik tripel atau triple point. Ketiga garis (kurva) pada diagram PT akan bertemu pada suatu titik, yang merepresentasikan kondisi:
- Keseimbangan fase padat-cair
- Keseimbangan fase cair- uap
- Keseimbangan fase padat-uap
Pada keadaan dimana ketiga garis (kurva) bertemu merupakan sebuah kombinasi yang unik untuk tekanan dan temperatur pada ketiga fase dalam keadaan setimbang secara bersama-sama.
Titik lebur dan titik didih normal (Normal melting and boiling points)
Titik lebur dan dan titik didih normal terjadi ketika tekanan pada angka 1 atmosfer. Kondisi ini akan ditemukan dari diagram fase dengan menggambarkan garis menyilang pada tekanan 1 atm sebagaimana Gambar 5.c.24.
Gambar 5.c.24. Kurva PT untuk titik lebur dan titik didih normal (sumber: www.chemguide.co.uk)
Contoh-contoh Soal
1. Jelaskan pengaruh tekanan terhadap titik didih!
Jawab: Apabila tekanan bertambah maka titik didihnya akan naik dan begitu pula sebaliknya.
2. Berikan penjelasan tentang titik tripel!
Jawab: titik tripel atau triple point menyatakan titik sebagai pertemuan ketiga garis (kurva) pada diagram PT yang merepresentasikan kondisi:
- Keseimbangan fase padat-cair
- Keseimbangan fase cair- uap
- Keseimbangan fase padat-uap
Latihan Mandiri
1. Tuliskan dan nyatakan parameter penting pada mesin pemanas atau mesin kalor dan pada mesin pendingin
2. Dua macam gas mengalami campuran dengan jalan difusi, jelaskan prosesnya berbalik atau tidak?
3. Suatu sistem menghisap panas dan diubah menjadi kerja, jelaskan apakah proses sistem tersebut dapat berbalik atau tidak?
4. Jelaskan, bagaimana cara mengalirkan panas dari reservoar dingin dengan suhu T1
ke reservoar panas dengan suhu T2 , (T1<T2)
5. Apakah mesin panas ideal itu? Lengkapi jawaban yang diberikan dengan gambar diagram
6. Apakah mesin pendingin ideal itu? Lengkapi jawaban yang diberikan dengan gambar diagram
Kunci Jawaban Latihan Mandiri
1. 2 (dua) parameter yang dimaksud adalah sebagai berikut: Q2
a. efisiensi untuk mesin panas, yaitu: η = 1 - Q1
Q2
b. koefisien daya guna mesin pendingin, yaitu: ω =
Q1 - Q2
2. Dua macam jenis gas yang mengalami campuran dan berdefusi, tidak akan dapat kembali lagi seperti semula dengan sendirinya. Karena itu prosesnya tidak berbalik. 3. Suatu sistem menghisap panas dan diubah menjadi kerja, kemudian dibalik, sistem
tersebut dikenai kerja. Proses tersebut menimbulkan kenaikan suhu. Apabila dihubungkan dengan reservoar panas, maka panas akan diberikan pada reservoar tersebut. Jadi proses pada sistem tersebut berbalik.
4. Agar panas dapat mengalir dari reservoar dingin suhu rendah T1 ke reservoar panas
dengan suhu tinggi T2 , maka perlu dipergunakan mesin yang dasar kerjanya
merupakan daur atau siklus.
5. Mesin Panas Ideal adalah mesin panas yang mempunyai nilai efisiensi sebesar mungkin, yaitu ηideal = 1. Ini berarti pada mesi panas ideal itu tidak ada limbah kalor.
Gambar diagram mesin panas ideal dapat diilustrasikan sebagai berikut.
Q
(-W)
6. Mesin Pendingin Ideal adalah Mesin Pendingin yang mempunyai nilai koefisien daya guna sebesar mungkin, yaitu θideal = ~. Hal ini berarti pada mesin pendingin itu tidak
diperlukan usaha W untuk menjalankan mesin (W = 0).
Gambar diagram mesin pendingin ideal (seandainya ada) dapat diilustrasikan sebagai berikut:
T1