Mengenal
Sifat Material (3)
Oleh:
Sudaryatno Sudirham & Ning Utari
Pengertian Dasar Thermodinamika
Sistem Multifasa
Difusi
Oksidasi
Korosi
Cakupan Bahasan
Thermodinamika merupakan cabang ilmu pengetahuan yang mencakup permasalahan transfer energi dalam skala
makroskopis
Thermodinamika tidak membahas hal-hal mikroskopis (seperti atom, molekul) melainkan membahas besaran-besaran makroskopis yang secara langsung dapat diukur,
Sistem
mampu mengisolasi sistem ataupun
memberikan suatu cara interaksi tertentu antara sistem dan lingkungannya
Sistem adalah obyek atau kawasan yang menjadi perhatian kita
Kawasan di luar sistem disebut lingkungan
mungkin berupa sejumlah materi atau suatu daerah yang kita bayangkan
dibatasi oleh suatu bidang batas
lingkungan sistem
lingkungan
bidang batas
bidang yang membatasi sistem terhadap lingkungannya.
Dengan adanya bidang batas antara sistem dan lingkungannya, beberapa kemungkinan bisa terjadi
tidak ada transfer energi tidak ada transfer materi
Sistem
ada transfer energi
tidak ada transfer materi
massa sistem tidak berubah
ada transfer materi massa sistem berubah
sistem sistem terisolasi
sistem sistem tertutup
energi
sistem terbuka sistem
energi
tidak dapat dipengaruhi oleh lingkungannya
Perubahan dalam sistem terisolasi tidak dapat terus berlangsung tanpa batas
sistem sistem terisolasi
Perubahan-perubahan dalam sistem mungkin saja terjadi
perubahan temperatur perubahan tekanan
Suatu saat akan tercapai kondisi
keseimbangan internal
yaitu kondisi di mana perubahan-perubahan dalam sistem sudah tidak lagi terjadi
menuju ke
keseimbangan internal keseimbangan eksternal.
sistem dapat berinteraksi dengan lingkungannya perubahan dalam sistem dibarengi dengan perubahan di lingkungannya.
Apabila keseimbangan telah tercapai, tidak lagi terjadi perubahan-perubahan di dalam sistem dan juga tidak lagi terjadi transfer
apapun antara sistem dengan lingkungannya
Sistem
sistem sistem tertutup
Status Sistem
Status thermodinamik sistem
merupakan spesifikasi lengkap susunan dan sifat fisis suatu sistem.
Tidak semua peubah thermodinamik harus diukur guna menentukan sifat sistem. Sifat sistem ditentukan oleh satu set tertentu peubah-peubah thermodinamik.
sudah dapat menentukan status sistem, walaupun jumlah itu hanya sebagian dari seluruh besaran fisis
yang menentukan status.
sistem
Apabila jumlah tertentu besaran fisis yang diukur
dapat digunakan untuk menentukan besaran-besaran
fisis yang lain maka jumlah pengukuran tersebut dikatakan sudah lengkap.
Jadi eksistensi sistem ditentukan oleh status-nya, sedangkan jumlah peubah yang perlu
diukur agar status sistem dapat ditentukan tergantung dari sistem itu sendiri.
Pengukuran atau set pengukuran peubah yang menentukan status tersebut harus dilakukan dalam kondisi
keseimbangan
Keseimbangan sistem tercapai apabila semua peubah yang menetukan sifat sistem tidak lagi berubah.
Status Sistem
Energi
Energi Internal Sistem
Energi internal, E, adalah sejumlah energi yang
merupakan besaran intrinsik suatu sistem yang berada dalam keseimbangan thermodinamis
Energi internal merupakan fungsi status Perubahan nilai suatu fungsi status hanya
tergantung dari nilai awal dan nilai akhir dan tidak tergantung dari alur perubahan
dari status awal menuju status akhir
energ
i ekste
rnal Energi
energi kinetik energi potensial
terkait gerak obyek terkait dengan posisi atau kondisi obyek.
Panas
Panas adalah salah satu bentuk energi
Panas bukanlah besaran intrinsik sistem.
Ia bisa masuk ke sistem dan juga bisa keluar dari sistem. Pada sistem tertutup, panas dapat menembus bidang
batas bila antara sistem dan lingkungannya terdapat gradien temperatur.
sistem
q
q′
Sejumlah panas dapat ditransfer dari lingkungan ke sistem
Sejumlah panas dapat ditransfer dari sistem ke lingkungan
q diberi tanda positif jika ia masuk ke sistem q diberi tanda negatif jika ia keluar dari sistem
Energi
Kerja
Kerja adalah bentuk energi yang ditranfer antara sistem dengan lingkungannya karena ada interaksi gaya antara
sistem dan lingkungannya.
sistem
Kerja, dengan simbol w, juga bukan besaran intrinsik sistem; bisa masuk ataupun keluar dari sistem
w
w diberi tanda positif jika ia masuk ke sistem w diberi tanda negatif jika ia keluar dari sistem
Energi
Energi
Konservasi Energi
Energi total sistem dan lingkungannya adalah terkonservasi
Energi tidak dapat hilang begitu saja ataupun diperoleh dari sesuatu yang tidak ada; namun energi dapat terkonversi dari satu bentuk ke bentuk yang lain
Hukum Thermodinamika Pertama
dan
Hukum Thermodinamika Pertama atau Hukum Kekekalan Energi
Perubahan neto dari energi internal adalah nol sebab jika tidak, akan menyalahi prinsip konservasi energi.
sistem sistem terisolasi
Jika status sistem berubah melalui alur (cara) perubahan tertentu, maka energi internal
sistem ini berubah.
Hukum Thermodinamika Pertama
E
status
A
B Sistem kembali pada status
semula melalui alur perubahan yang berbeda energi internal akan kembali
Perubahan energi internal, yang mengikuti terjadinya perubahan status sistem, tidak
tergantung dari alur perubahan status tetapi hanya tergantung dari status awal dan status akhir
Setiap besaran yang merupakan fungsi bernilai tunggal dari status thermodinamik
adalah fungsi status.
Perubahan nilai hanya tergantung dari nilai awal dan nilai akhir
Hukum Thermodinamika Pertama
Apabila hanya tekanan atmosfer yang bekerja pada sistem, maka jika energi panas sebesar dq masuk ke sistem, energi internal sistem berubah sebesar
PdV dq
dE = −
tekanan atmosfer ≈ konstan perubahan volume sistem →
→→
→ kerja pada lingkungan PdV
Membuat P konstan tidak sulit dilakukan. Membuat V konstan sangat sulit
PV
E
H
≡
+
enthalpi awal akhirH
H
H
=
−
∆
P dan V adalah peubah thermodinamik
yang menentukan status sistem, sedangkan E adalah fungsi status, maka H
juga fungsi bernilai tunggal dari status
H juga fungsi status
Enthalpi
Introduksi peubah baru, yang sudah memperhitungkan V
Contoh-1.1.
Perubahan Enthalpi Pada Reaksi Kimia
Jika Hakhir > Hawal maka ∆H > 0
→ Terjadi transfer energi ke sistem → penambahan enthalpi pada sistem → proses endothermis
Jika Hakhir < Hawal maka ∆H < 0
→ Terjadi transfer energi ke lingkungan → enthalpi sistem berkurang
→ proses eksothermis
Dalam reaksi kimia,
reagen (reactant) merupakan status awal sistem hasil reaksi merupakan status akhir sistem
Hukum Hess
Apabila suatu reaksi kimia merupakan jumlah dua atau lebih reaksi, maka perubahan enthalpi total
untuk seluruh proses merupakan jumlah dari perubahan enthalpi reaksi-reaksi pendukungnya.
Hukum Hess merupakan konsekuensi dari hukum
kekekalan energi.
Hukum Hess terjadi karena perubahan enthalpi untuk suatu reaksi adalah fungsi status, suatu besaran yang nilainya
ditentukan oleh status sistem.
Perubahan enthalpi yang terjadi baik pada proses fisika maupun proses kimia tidak tergantung pada alur proses dari
status awal ke status akhir
Perubahan enthalpi hanya tergantung pada enthalpi pada status awal dan pada status akhir.
Proses
Proses Reversible
Proses Reversible dan Irreversible
Jika suatu sistem bergeser dari status keseimbangannya, sistem ini menjalani suatu proses dan selama proses berlangsung sifat-sifat sistem
berubah sampai tercapai keseimbangan status yang baru.
Proses reversible merupakan suatu proses perubahan yang bebas dari desipasi (rugi) energi dan dapat ditelusur balik dengan tepat.
Sulit ditemui suatu proses yang reversible namun jika proses berlangsung sedemikian rupa sehingga pergeseran keseimbangan sangat kecil maka
proses ini dapat dianggap sebagai proses yang reversible Proses reversible dianggap dapat berlangsung dalam arah yang
berlawanan mengikuti alur proses yang semula diikuti.
Proses irreversible (tidak reversible) merupakan proses yang dalam perjalanannya mengalami rugi (desipasi) energi sehingga tidak
mungkin ditelusur balik secara tepat.
Teorema Clausius
∫
≤ 0
T
dq
Proses Reversible dan Irreversible
∫
= 0
T
dq
rev∫
< 0
T
dq
irrev Dalam proses reversibleDalam proses irreversible
Proses reversible merupakan proses yang paling efisien, tanpa rugi (desipasi) energi
Entropi
Hukum Thermodinamika Ke-dua
Hukum Thermodinamika Ke-tiga
Entropi
∫
= 0
T
dq
rev Proses reversibleproses berlangsung dalam satu siklus Untuk proses reversible yang berjalan tidak penuh satu siklus,
melainkan berjalan dari status A ke status B dapat dituliskan
∫
∫
=
B A B A revdS
T
dq
qrev adalah panas yangmasuk ke sistem pada proses reversible.
Karena masuknya energi panas menyebabkan enthalpi sistem meningkat sedangkan enthalpi merupakan fungsi status maka
juga merupakan fungsi status
S adalah peubah status yang disebut
entropi
T
dq
dS
=
revHukum Thermodinamika Ke-dua
∫
∫
>
T
dq
T
dq
rev irrevProses reversible adalah yang paling efisien
Tak ada rugi energi Ada rugi energi
irrev rev
dq
dq
>
Proses yang umum terjadi adalaqh proses irreversible
Panas dq yang kita berikan ke sistem pada umumnya adalah dqirrev
rev
dq
dq <
Dengan pemberian panas, entropi sistem berubah sebesar dSsistem dan sesuai dengan definisinya maka
T
dq
dS
sistem=
revtanpa mempedulikan apakah proses yang terjadi
Dalam sistem tertutup, jika dq cukup kecil maka pergeseran status yang terjadi di lingkungan akan kembali ke status semula. Dengan mengabaikan perubahan-perubahan kecil lain yang mungkin juga terjadi, proses di lingkungan dapat dianggap reversible. Perubahan entropi lingkungan menjadi
T
dq
dS
lingkungan=
−
Perubahan entropi neto
0
≥
−
=
+
=
T
dq
dq
dS
dS
dS
neto sistem lingkungan revyang akan bernilai positif jika proses yang terjadi adalah proses
irreversible karena dalam proses irreversible dq < dqrev
Proses reversible hanya akan terjadi jika dSneto = 0
Karena proses spontan adalah proses irreversible di mana dSneto> 0 maka dalam proses spontan total entropi
selalu bertambah.
Ini adalah pernyataan Hukum Thermodinamika Kedua.
Hukum Thermodinamika Ke-dua
Suatu proses spontan terjadi secara alamiah.
Proses ini merupakan proses irreversible, karena jika tidak proses spontan tidak akan terjadi.
Kita ingat bahwa proses reversible adalah proses yang hampir tidak
bergeser dari keseimbangannya atau dengan kata lain tidak ada perubahan yang cukup bisa diamati.
Oleh karena itu proses spontan tidak mungkin reversible atau selalu
T
dq
dS
=
revAtas usulan Planck, Nernst pada 1906 menyatakan bahwa pada temperatur 0 K entropi dari semua sistem harus sama. Konstanta universal ini di-set sama dengan nol sehingga
0
0
=
=T
S
Persamaan ini biasa disebut sebagai Hukum Thermodinamika Ke-tiga
Hukum Thermodinamika Ke-tiga
Persamaan ini memungkinkan dilakukannya perhitungan nilai absolut entropi dari suatu sistem dengan membuat batas bawah integrasi adalah 0 K.
∫
τ
τ
=
TC
pd
T
S
0)
(
entropi S pada temperatur Tdari suatu sistem adalah Dengan mengingat relasi
dq
=
C
PdT
,
Reaksi spontan disebut juga product-favored reaction Reaksi nonspontan disebut juga reactant-favored reaction
Pada umumnya, reaksi eksothermis yang terjadi pada temperatur kamar adalah reaksi spontan.
Energi potensial yang tersimpan dalam sejumlah (relatif) kecil atom / molekul reagen menyebar ke sejumlah (relatif) besar atom / molekul hasil reaksi di tambah atom dan molekul
lingkungannya.
Penyebaran energi lebih mungkin terjadi daripada pemusatan (konsentrasi) energi.
Arah Reaksi Kimia
Proses reaksi dari beberapa reagen menghasilkan hasil reaksi.
C
B
A
+
→
Jika C dominan terhadap A+B dalam waktu yang tidak lama,
maka reaksi tersebut disebut
reaksi spontan
Apabila A+B tetap dominan terhadap C dalam waktu yang lama, maka disebut
reaksi nonspontan
diperlukan upaya tertentu agar diperoleh C yang dominan
Di samping energi, materi yang sangat terkonsentrasi juga cenderung untuk menyebar
Dengan demikian ada dua cara untuk suatu sistem menuju kepada status yang lebih mungkin terjadi, yaitu
1). melalui penyebaran energi ke jumlah partikel yang lebih besar;
2). melalui penyebaran partikel sehingga susunan partikel menjadi lebih acak.
Dengan dua cara tersebut ada empat kemungkinan proses
yang bisa terjadi
a). Jika reaksi adalah eksothermis dan susunan materi menjadi lebih acak, maka reaksi ini merupakan reaksi spontan pada semua temperatur.
b). Jika reaksi adalah eksothermis tetapi susunan materi menjadi lebih teratur, maka reaksi ini cenderung merupakan reaksi spontan pada suhu kamar akan tetapi menjadi reaksi nonspontan pada temperatur tinggi. Hal ini berarti bahwa penyebaran energi dalam proses terjadinya reaksi kimia lebih berperan dibandingkan dengan penyebaran partikel
c). Jika reaksi adalah endothermis dan susunan materi menjadi lebih acak, maka reaksi ini cenderung merupakan reaksi nonspontan pada temperatur kamar tetapi cenderung menjadi spontan pada temperatur tinggi.
d). Jika reaksi adalah endothermis dan susunan materi menjadi lebih teratur, maka tidak terjadi penyebaran energi maupun penyebaran partikel yang
berarti proses reaksi cenderung nonspontan pada semua temperatur. Karena reaksi spontan merupakan proses irreversible di mana terjadi kenaikan entropi maka kenaikan entropi menjadi pula ukuran/indikator
penyebaran partikel
Arah Reaksi Kimia
Kapasitas Panas dan Nilai Absolut Entropi
T
b
a
C
P=
+
×
10
−3Konstanta Untuk Menetukan Kapasitas Panas Padatan [12]. cal/mole/K 298 – 848 8,20 11,22 SiO2 298 – titik leleh 1,00 14,88 AgCl 298 – titik leleh 15,40 7,93 AgBr 298 – titik leleh 2,04 5,09 Ag Rentang Temperatur K b a Material
Entropi Absolut Pada Kondisi Standar cal/mole derajat [12] 4,5 ± 0,05 Si 0,583 ± 0,005 Intan 1,361 ± 0,005 Grafit 11,32 ± 0,05 Au 10,1 ± 0,2 Ge 6,77 ± 0,05 Al 6,49 ± 0,03 Fe 10.20 ± 0,05 Ag S Material S Material
Energi Bebas
(free energies)
Kelvin memformulasikan bahwa pada umumnya alam tidak memperkenankan panas dikonversikan menjadi kerja tanpa
disertai oleh perubahan besaran yang lain.
Kalau formulasi Kelvin ini kita bandingkan dengan
pernyataan Hukum Thermodinamika Ke-dua, maka besaran lain yang berubah yang menyertai konversi panas menjadi
kerja adalah perubahan entropi.
Perubahan neto entropi, yang selalu meningkat dalam suatu proses, merupakan energi yang tidak dapat diubah menjadi
kerja, atau biasa disebut energi yang tak dapat diperoleh (unavailable energy).
Sesuai Hukum Thermodinamika Pertama, jika kita masukkan energi panas ke dalam sistem dengan maksud untuk mengekstraknya menjadi kerja maka yang bisa kita peroleh
dalam bentuk kerja adalah energi yang masuk ke sistem dikurangi energi yang tak bisa diperoleh, yang terkait dengan
entropi.
Karena mengubah energi menjadi kerja adalah proses
irreversible, sedangkan dalam proses irreversible entropi selalu
meningkat, maka energi yang tak dapat diperoleh adalah
TS
entropi temperatur
Energi yang bisa diperoleh disebut energi bebas yang diformulasikan oleh Helmholtz sebagai
TS
E
A
≡
−
Energi Bebas
TS
E
A
≡
−
Hemholtz Free Energy
SdT
TdS
dE
dA
≡
−
−
SdT
dq
dw
dq
dA
=
−
−
rev−
Energi Bebas
Jika temperatur konstan dan tidak ada kerja yang dilakukan oleh sistem pada lingkungan maupun dari lingkungan pada sistem, maka
rev T w
dq
dq
dA
=
−
, Karenadq ≤
dq
rev0
,T≤
wdA
Jadi pada proses isothermal di mana tidak ada kerja, energi bebas Helmholtz menurun dalam semua proses alamiah dan mencapai nilai minimum setelah mencapai keseimbangan
Energi Bebas
Gibbs mengajukan formulasi energi bebas, yang selanjutnya disebut energi bebas Gibbs (Gibbs Free Energy), G, dengan memanfaatkan definisi enthalpi
TS
PV
E
TS
H
G
≡
−
=
+
−
SdT
dq
VdP
PdV
dw
dq
SdT
TdS
VdP
PdV
dE
dG
rev−
−
+
+
−
=
−
−
+
+
=
PdV
dw =
tekanan atmosfer
dG
=
dq
+
VdP
−
dq
rev−
SdT
Jika tekanan dan temperatur konstan (yang tidak terlalu sulit untuk dilakukan), maka rev T P
dq
dq
dG
=
−
,Pada proses irreversible
dG
P,T≤
0
Jadi jika temperatur dan tekanan dibuat konstan, energi bebas Gibbmencapai minimum pada kondisi keseimbangan
Pengertian-Pengertian
Fasa
Fasa adalah daerah materi dari suatu sistem yang secara fisis dapat dibedakan
dari daerah materi yang lain dalam sistem tersebut
memiliki struktur atom dan sifat-sifat sendiri dapat dipisahkan secara
mekanis sistem satu-fasa & sistem multi-fasa
Homogenitas
Dalam keseimbangan, setiap fasa adalah homogenKomponen Sistem
Komponen sistem adalah unsur atau senyawa yang membentuk satu sistem.
sistem komponen-tunggal sistem multi-komponen.
Diagram Keseimbangan
Diagram keseimbangan merupakan diagram di mana kita bisa membaca fasa-fasa apa saja yang hadir dalam keseimbangan pada berbagai nilai peubah thermodinamik
Derajat Kebebasan
Derajat kebebasan (degree of freedom) didefinisikan sebagai jumlah peubah thermodinamik yang dapat divariasikan secara tidak saling bergantungan tanpa mengubah jumlah fasa yang berada dalam keseimbangan.
Larutan Padat
Larutan Padat
Atom atau molekul dari satu komponen terakomodasi di dalam
struktur komponen yang lain Larutan padat bisa terjadi secara
subsitusional interstisial
Derajat kelarutan
Berbagai derajat kelarutan bisa terjadi Dua komponen dapat membentuk larutan menyeluruh (saling melarutkan)
jika status keseimbangan thermodinamik dari sembarang
komposisi dari keduanya membentuk
sistem satu fasa.
Hanya larutan substitusional yang dapat mencapai keadaan ini.
Kaidah Hume-Rothery
Perbedaan ukuran atom pelarut dan atom terlarut < 15%. Struktur kristal dari komponen terlarut sama dengan
komponen pelarut.
Elektron valensi zat terlarut dan zat pelarut tidak berbeda lebih dari satu.
Elektronegativitas zat terlarut dan pelarut kurang-lebih sama, agar tidak terjadi senyawa sehingga larutan yang terjadi dapat berupa larutan satu fasa.
Enthalpi Larutan
Pada reaksi kimia:
Jika Hakhir> Hawal → ∆H > 0 → penambahan enthalpi pada sistem (endothermis)
Jika Hakhir< Hawal enthalpi sistem berkurang (eksothermis). Dalam peristiwa pelarutan terjadi hal yang mirip yaitu perubahan
enthalpi bisa negatif bisa pula positif
HB HA A x B B Hlarutan HB HA A x B B Hlarutan HB HA A x B B Hlarutan
Larutan Padat
Hlarutan< sebelum pelarutan untuk semua komposisi Hlarutan> sebelum pelarutan untuk semua komposisi Hlarutan= sebelum pelarutan; ini keadaan idealLarutan Padat
Entropi Larutan
Entropi dalam proses irreversible akan meningkat.
→ entropi larutan akan lebih tinggi dari entropi masing-masing komponen sebelum larutan terjadi, karena pelarutan merupakan proses irreversible.
→ jika SA adalah entropi komponen A tanpa kehadiran B, dan SB adalah entropi komponen B tanpa kehadiran A, maka
S SB SA A x B B S0 A x B B S S Entropi pelarutan Sesudah − Sebelum
entropi sesudah pelarutan > sebelum pelarutan
Larutan Padat
Energi Bebas Larutan
Larutan satu fasa yang stabil akan terbentuk jika dalam pelarutan itu terjadi penurunan energi bebas.
TS
H
G
=
−
HB HA A x B B Hlarutan HB HA A x B B Hlarutan G H A B xB Hlarutan Glarutan x1 A x B B G Glarutan x1 x 2 α α+β βLarutan satu fasa
Larutan multifasa antara komposisi
Kaidah Fasa Gibbs
Jumlah fasa yang hadir dalam keseimbangan dalam satu sistem
2
+
=
+
D
K
F
Sistem satu-fasa (F = 1) komponen tunggal (K = 1) yang dlam keseimbangan akan memiliki 2 derajat kebebasan.
Sistem dua fasa (F = 2) komponen tunggal (K = 1) yang dalam keseimbangan memiliki 1 derajat kebebasan.
Sistem tiga fasa (F = 3) komponen tunggal (K = 1) yang dalam keseimbangan akan berderajat kebebasan 0 dan invarian.
jumlah derajat kebebasan
jumlah minimum komponen yang membentuk sistem
Diagram Keseimbangan Fasa
Sistem Komponen Tunggal
Sistem Komponen Tunggal : H
2O
Diagram Keseimbangan,
Sistem Komponen TunggalKarena K = 1 maka komposisi tidak menjadi peubah
2
+
=
+
D
K
F
T P A D C Bcair
padat
uap
a
b
c
F = 1 → D = 2 tekanan P dan temperatur TT P A D C B
cair
padat
uap
a
b
c
F = 2 → D = 1 tekanan : P atau temperatur : T2
+
=
+
D
K
F
Diagram Keseimbangan,
Sistem Komponen TunggalTitik Tripel
Sistem Komponen Tunggal : H
2O
F = 3
→ D = 0
invarian
Alotropi (allotropy)
Diagram Keseimbangan,
Sistem Komponen TunggalAlotropi: keberadaan satu macam zat (materi) dalam dua atau
lebih bentuk yang sangat berbeda sifat fisis maupun sifat kimianya.
perbedaan struktur kristal,
perbedaan jumlah atom dalam molekul, perbedaan struktur molekul.
910 1400 1539 T oC α α α α (BCC) γ γ γ γ (FCC) δ δδ δ (BCC)
cair
≈ ≈ 10-12 10-8 10-4 1 102 atmuap
A B C BesiKurva Pendinginan
Diagram Keseimbangan,
Sistem Komponen Tunggalα (BCC) γ (FCC) δ (BCC) cair 910 1400 1539 T oC ≈ ≈ t cair+δ δ + γ γ + α α (BCC) γ (FCC) δ (BCC) cair 910 1400 1539 T [oC] ≈ cair+δ δ + γ γ + α
temperatur konstan pada waktu terjadi peralihan
Diagram Keseimbangan,
Sistem Komponen TunggalEnergi Bebas
G
=
H
−
TS
PV
E
H
≡
+
∫
τ
τ
=
TC
pd
T
S
0)
(
T
b
a
C
P=
+
×
10
−3 FCC BCC BCC T [oC] 910 1400 1539 G BesiDiagram Keseimbangan Fasa
Sistem Biner
Sistem Biner Dengan Kelarutan Sempurna
Diagram Keseimbangan,
Sistem BinerTA TB A B xB xcf xca x0 xpf xpa a b d c T A B xB x1 x2 x3 a) b)
Karena K = 2 maka komposisi menjadi peubah
2
+
=
+
D
K
Sistem Biner Dengan Kelarutan Terbatas
Diagram Keseimbangan,
Sistem BinerDiagram Eutectic Biner
titik leleh A a b A B xB α β Te α+β α+L Cair (L) L+β c d xα1 xαe x0 xc xe xβe xα e T T A T B titik leleh B
Sistem Biner Dengan Kelarutan Terbatas
Diagram Keseimbangan,
Sistem BinerDiagram Peritectic Biner
Tp a b T TA A B xB α β + L cair (L) α + L α + β β xα1 xαp x0 xβp xlp TB c p titik leleh A titik leleh B
Difusi adalah peristiwa di mana terjadi
tranfer materi melalui materi lain.
Transfer materi ini berlangsung karena
atom atau partikel selalu bergerak oleh
agitasi thermal. Walaupun sesungguhnya
gerak tersebut merupakan gerak acak tanpa
arah tertentu, namun secara keseluruhan
ada arah neto dimana entropi akan
meningkat
Kondisi Mantap
Difusi
, Analisis Matematisdx
dC
D
J
x=
−
D adalah koefisien difusi, dC/dx adalah variasi konsentrasi dalam keadaan mantap di mana C0 dan Cx bernilai konstanHukum Fick Pertama
xa x Ca Cx materi masuk di xa materi keluar di x ∆x
Kondisi Transien
=
∆
∂
∂
−
=
dx
dC
D
dx
d
x
x
J
dt
dC
x xHukum Fick Ke-dua
Jika D tidak tergantung
pada konsentrasi maka 2
2
dx
C
d
D
dt
dC
x x=
Difusi
, Analisis Matematisxa x Ca Cx2
materi masuk di
x
amateri keluar di
x
∆x Cx0=0 Cx1 t2 t1 t=0Persamaan Arrhenius
Persamaan Arrhenius adalah persamaan yang menyangkut laju reaksi
RT Q r
ke
L
=
− /Q : energi aktivasi (activation energy), R : gas (1,98 cal/mole K),
T : temperatur absolut K,
k : konstanta laju reaksi (tidak
tergantung temperatur).
Dari hasil eksperimen diketahui bahwa koefisien difusi D
RT Q
e
D
D
=
0 − /berbentuk sama dengan persamaan Arrhenius
Difusi
, Analisis Matematis1. Difusi Volume
Difusi volume (volume diffusion) adalah transfer materi menembus volume materi lain
2. Difusi Bidang Batas
3. Difusi Permukaan
p e rm u k a a n retakan volume batas bidang permukaan
D
D
D
>
>
p e rm u k a a nbidang batas butiran
Difusi,
Efek Hartley-KirkendalEfek Hartley-Kirkendal menunjukkan bahwa difusi timbal balik dalam alloy biner terdiri dari dua jenis pergerakan materi yaitu
A menembus B dan B menembus A.
Analisis yang dilakukan oleh Darken menunjukkan bahwa dalam proses yang demikian ini koefisien difusi terdiri dari dua komponen yang dapat dinyatakan dengan
B A A B
D
X
D
X
D
=
+
XA dan XB adalah fraksi molar dari A dan B,
DA adalah koefisien difusi B menembus A,
Difusi dan
Difusi,
Ketidaksempurnaan KristalKekosongan posisi pada kristal hadir dalam keseimbangan thermodinamis Padatan menjadi “campuran” antara “kekosongan” dan “isian”.
Sebagai gambaran, Ev = 20 000 cal/mole,
→ pada 1000K ada satu kekosongan dalam 105 posisi atom. kT E v v
e
v,
,
,
/ 0 −=
−
energi yang diperlukan untuk membuat satu posisi kosong jumlah posisi kosong
Dalam kenyataan padatan mengandung pengotoran yang dapat
melipatgandakan jumlah kekosongan, → mempermudah terjadinya difusi.
Selain migrasi kekosongan, migrasi interstisial dapat terjadi apabila atom materi yang berdifusi berukuran cukup kecil dibandingkan dengan ukuran atom material yang ditembusnya
Ketidak-sempurnaan Frenkel dan Schottky tidak mengganggu kenetralan listrik, dan kristal tetap dalam keseimbangan thermodinamis.
d d d d d
D
kT
q
C
k
2
=
σ
konsentrasi ketidak-sempurnaankd = 1 untuk ion interstisial
kd > 1 untuk kekosongan
Ketidak-sempurnaan mana yang akan terjadi tergantung dari besar energi yang diperlukan untuk membentuk kation interstisial atau kekosongan anion.
Pada kristal ionik konduktivitas listrik pada
temperatur tinggi terjadi karena difusi ion dan
hampir tidak ada kontribusi elektron. Oleh karena itu konduktivitas listrik sebanding dengan koefisien difusi.
Frenkel Schottky
Difusi,
Ketidaksempurnaan Kristalkonduktivitas listrik oleh konduksi ion faktor yang tergantung dari
macam ketidak-sempurnaan.
Difusi Dalam Polimer Dan Silikat
Dalam polimer, difusi terjadi dengan
melibatkan gerakan molekul panjang. Migrasi atom yang berdifusi mirip seperti yang terjadi pada migrasi interstisial. Namun makin panjang molekul polimer gerakan
makin sulit terjadi, dan koefisien difusi makin rendah.
Pada silikat, ion silikon biasanya berada pada
posisi sentral tetrahedron dikelilingi oleh ion oksigen
Ion positif alkali dapat menempati posisi antar tetrahedra dengan gaya coulomb yang lemah. Oleh karena itu natrium dan kalium dapat dengan mudah berdifusi menembus silikat
Selain itu ruang antara pada jaringan silikat tiga dimensi memberi kemudahan pada atom-atom berukuran kecil seperti
hidrogen dan helium untuk berdifusi dengan cepat.
Reaksi reduksi : reaksi di mana oksigen dilepaskan dari suatu senyawa Unsur yang menyebabkan terjadinya reduksi disebut unsur pereduksi.
Berikut ini kita akan melihat peristiwa oksidasi
melalui pengertian thermodinamika.
Oksidasi
Oksidasi : reaksi kimia di mana oksigen tertambahkan pada unsur lain Unsur yang menyebabkan terjadinya oksidasi disebut unsur pengoksidasi
Reaksi redoks (redox reaction): reaksi dimana satu materi teroksidasi dan materi yang lain tereduksi.
Tidak semua reaksi redoks melibatkan oksigen. Akan tetapi semua reaksi redoks melibatkan transfer elektron
Reagen yang kehilangan elektron, dikatakan sebagai teroksidasi
Reagen yang memperoleh elektron, dikatakan sebagai tereduksi
Kecenderungan metal untuk bereaksi dengan oksigen didorong oleh penurunan energi bebas yang mengikuti pembentukan oksidanya
Energi Bebas Pembentukan Oksida pada 500K dalam Kilokalori.[12]. +10,5 Emas -71,3 Zink +0,6 Perak -81,6 Chrom -31,5 Tembaga -83,0 Natrium -46,1 Nikel -101,2 Titanium -47,9 Kobalt -120,7 Aluminium -55,5 Besi -130,8 Magnesium -58,3 Hidrogen -138,2 Kalsium
Kebanyakan unsur yang tercantum dalam tabel ini memiliki energi bebas pembentukan oksida bernilai negatif, yang berarti bahwa
unsur ini dengan oksigen mudah berreaksi membentuk oksida
Lapisan Permukaan Metal
Energi bebas untuk pembentukan oksida pada perak dan emas bernilai positif. Unsur ini tidak membentuk oksida.
Namun material ini jika bersentuhan dengan udara akan terlapisi oleh oksigen; atom-atom oksigen terikat ke permukaan material ini dengan ikatan lemah van der Waals; mekanisme pelapisan ini disebut adsorbsi.
Pada umumnya atom-atom di permukaan material membentuk lapisan senyawa apabila bersentuhan dengan oksigen. Senyawa
dengan oksigen ini benar-benar merupakan hasil proses reaksi kimia dengan ketebalan satu atau dua molekul; pelapisan ini mungkin juga berupa lapisan oksigen satu atom yang disebut
kemisorbsi (chemisorbtion).
Oksidasi,
Proses OksidasiRasio Pilling-Bedworth
Lapisan oksida di permukaan metal bisa berpori (misalnya dalam kasus natrium, kalium, magnesium) bisa pula rapat tidak berpori (misalnya
dalam kasus besi, tembaga, nikel).
amD
Md
d
am
D
M
=
=
metal
volume
oksida
volume
M
: berat molekul oksida (dengan rumus MaOb),D
: kerapatan oksida,a
: jumlah atom metal per molekul oksida,m
: atom metal,d
: kerapatan metal.Jika < 1, lapisan oksida yang terbentuk akan berpori.
Jika ≈ 1 , lapisan oksida yang terbentuk adalah rapat, tidak berpori. Jika >> 1, lapisan oksida akan retak-retak.
Muncul atau tidak munculnya pori pada lapisan oksida berkorelasi dengan perbandingan volume oksida yang terbentuk dengan volume metal yang
teroksidasi. Perbandingan ini dikenal sebagai Pilling-Bedworth Ratio:
a). Jika lapisan oksida yang pertama-tama terbentuk adalah berpori, maka molekul oksigen bisa masuk melalui pori-pori tersebut dan kemudian
bereaksi dengan metal di perbatasan metal-oksida. Lapisan oksida bertambah tebal. metal oksigen menembus pori-pori lapisan oksida berpori daerah terjadinya oksidasi lebih lanjut
Oksidasi,
Penebalan Lapisan OksidaSituasi ini terjadi jika rasio
volume oksida-metal kurang dari satu. Lapisan oksida ini bersifat
non-protektif, tidak memberikan
perlindungan pada metal yang dilapisinya terhadap proses oksidasi lebih lanjut.
b). Jika lapisan oksida tidak berpori, ion metal bisa berdifusi menembus lapisan oksida menuju bidang batas oksida-udara; dan di perbatasan oksida-udara ini metal bereaksi dengan oksigen dan menambah tebal lapisan oksida yang telah ada.
metal
M+ e
lapisan oksida tidak berpori
daerah terjadinya oksidasi lebih lanjut Ion logam berdifusi
menembus oksida Elektron bermigrasi dari
metal ke permukaan oksida
Oksidasi,
Penebalan Lapisan OksidaProses oksidasi berlanjut di permukaan. Dalam hal ini
elektron bergerak dengan arah yang sama agar pertukaran elektron dalam reaksi ini bisa terjadi.
c). Jika lapisan oksida tidak berpori, ion oksigen dapat berdifusi menuju bidang batas metal-oksida dan bereaksi dengan metal di bidang batas metal-oksida.
metal
e
lapisan oksida tidak berpori
daerah terjadinya oksidasi lebih lanjut
Ion oksigen berdifusi menembus oksida Elektron bermigrasi dari
metal ke permukaan oksida
O−2
Oksidasi,
Penebalan Lapisan OksidaElektron yang dibebaskan dari permukaan logam tetap bergerak ke arah bidang batas oksida-udara. Proses oksidasi berlanjut di
perbatasan metal-oksida.
d). Mekanisme lain yang mungkin terjadi adalah gabungan antara b) dan c) di mana ion metal dan elektron bergerak ke arah luar sedang ion oksigen bergerak ke arah dalam. Reaksi oksidasi bisa terjadi di dalam lapisan oksida.
Terjadinya difusi ion, baik ion metal maupun ion oksigen, memerlukan koefisien difusi yang cukup tinggi. Sementara itu gerakan elektron menembus lapisan oksida memerlukan
konduktivitas listrik oksida yang cukup tinggi pula. Oleh karena itu jika lapisan oksida memiliki konduktivitas listrik
rendah, laju penambahan ketebalan lapisan juga rendah karena terlalu sedikitnya elektron yang bermigrasi dari metal
menuju perbatasan oksida-udara yang diperlukan untuk pertukaran elektron dalam reaksi.
Jika koefisien difusi rendah, pergerakan ion metal ke arah perbatasan oksida-udara akan lebih lambat dari migrasi elektron. Penumpukan ion metal akan terjadi di bagian dalam lapisan oksida dan penumpukan ion ini akan menghalangi difusi
ion metal lebih lanjut. Koefisien difusi yang rendah dan
konduktivitas listrik yang rendah dapat membuat lapisan oksida bersifat protektif, menghalangi proses oksidasi lebih lanjut.
Laju Penebalan Lapisan Oksida
Jika lapisan oksida berpori dan ion oksigen mudah berdifusi melalui
lapisan oksida ini, maka oksidasi di permukaan metal (permukaan batas metal-oksida) akan terjadi dengan laju yang hampir konstan. Lapisan oksida ini nonprotektif.
1
k dt
dx = dan x = k1t +k2
Jika lapisan oksida bersifat protektif, transfer ion dan elektron masih mungkin terjadi walaupun dengan lambat. Dalam keadaan demikian ini komposisi di kedua sisi permukaan oksida (yaitu permukaan batas oksida-metal dan oksida-udara) bisa dianggap konstan. Kita dapat
mengaplikasikan Hukum Fick Pertama, sehingga
x k dt
dx 3
= dan x2 = k3t +k4
Oksidasi,
Penebalan Lapisan OksidaJika lapisan oksida bersifat sangat protektif dengan konduktivitas listrik yang rendah, maka
)
log(
Bt
C
A
x
=
+
A, B, dan C adalah konstan. Kondisi ini berlaku jika terjadi pemumpukan
muatan (ion, elektron) yang dikenal dengan muatan ruang, yang menghalangi gerakan ion dan elektron lebih lanjut.
Agar lapisan oksida menjadi protektif, beberapa hal perlu dipenuhi oleh lapisan ini.
Ia tak mudah ditembus ion, sebagaimana;
Ia harus melekat dengan baik ke permukaan metal; adhesivitas antara oksida dan metal ini sangat dipengaruhi oleh bentuk permukaan metal, koefisien muai panjang relatif antara oksida dan metal, laju kenaikan temperatur relatif antara oksida dan metal; temperatur sangat berpengaruh pada sifat protektif oksida.
Ia harus nonvolatile, tidak mudah menguap pada temperatur kerja dan juga harus tidak reaktif dengan lingkungannya.
Oksidasi Selektif
Oksidasi Selektif. Oksidasi selektif terjadi pada larutan biner metal di
mana salah satu metal lebih mudah teroksidasi dari yang lain. Peristiwa ini terjadi jika salah satu komponen memiliki energi bebas jauh lebih negatif dibanding dengan komponen yang lain dalam pembentukan oksida. Kehadiran chrom dalam alloy misalnya, memberikan ketahanan lebih baik terhadap terjadinya oksidasi
Oksidasi Internal. Dalam alloy berbahan dasar tembaga dengan
kandungan alluminium bisa terjadi oksidasi internal dan terbentuk Al2O3 dalam matriksnya. Penyebaran oksida yang terbentuk itu membuat material ini menjadi keras.
Oksidasi Intergranular. Dalam beberapa alloy oksidasi selektif di bidang
batas antar butiran terjadi jauh sebelum butiran itu sendiri teroksidasi. Peristiwa in membuat berkurangnya luas penampang metal yang
menyebabkan penurunan kekuatannya.
Oksidasi selektif bisa memberi manfaat bisa pula merugikan.
Korosi Karena Perbedaan Metal Elektroda
n + 1 M M+2m hubungan listrik katoda anoda elektrolit M1 M2Peristiwa korosi ini merupakan peristiwa elektro-kimia, karena ia terjadi jika dua metal berbeda yang saling kontak secara listrik berada dalam lingkungan elektrolit
perbedaan ∆∆∆∆G yang terjadi apabila kedua metal terionisasi dan melarutkan ion dari permukaan masing-masing ke elektrolit dalam jumlah yang ekivalen 2 1 2 1
(
/
)
M
M
(
/
)
M
M
+
n
m
+m→
+n+
n
m
Korosi
Jika ∆G < 0 → M1 → elektron → mereduksi ion M2 → M1 mengalami korosi
Korosi
dapat dipandang sebagai dua kali setengah-reaksi dengan masing-masing setengah-reaksi adalah
2 1 2 1
(
/
)
M
M
(
/
)
M
M
+
n
m
+m→
+n+
n
m
Reaksi − ++
→
1nne
1M
M
F
1 1nV
G
=
−
∆
− ++
→
2mme
2M
M
∆
G
2=
−
nV
2F
dengan dengan1 mole metal mentransfer 1 mole elektron ≈ 96.500 coulomb Angka ini disebut konstanta Faraday, dan diberi simbol F.
nVF
G
=
−
∆
perubahan G adalah negatif jika tegangan V positif perubahan energi bebas
tegangan antara M1 dan M2 (dalam volt)
Dengan pandangan setengah reaksi, tegangan antara
anoda M1 dan katoda M2 dapat dinyatakan sebagai jumlah dari potensial
setengah reaksi. Potensial setengah reaksi membentuk deret yang disebut deret emf (electromotive force series).
Korosi
Deret emf
Deret emf pada 25o C, volt. [12].− 1,68 Au→Au++ e− − 1,42 Au→Au+3+ 3e− − 1,2 Pt→Pt+2 + 2e− − 0,800 Ag→Ag++ e− − 0,522 Cu→Cu++ e− − 0,345 Cu→Cu+2+ 2e− 0,000 H2→2H++ 2e− + 0,126 Pb→Pb+2+ 2e− + 0,136 Sn→Sn+2+ 2e− + 0,250 Ni→Ni+2 + 2e− + 0,440 Fe→Fe+2 + 2e− + 0,71 Cr→Cr+3+ 3e− + 0,672 Zn→Zn+2 + 2e− + 1,67 Al→Al+3+ 3e− + 2,34 Mg→Mg+2+ 2e− + 2,172 Na→Na++ e− Potensial Elektroda Reaksi Elektroda basis
Korosi Karena Perbedaan Konsentrasi Ion Dalam Elektrolit
dua metal sama
tercelup dalam elektrolit dengan konsentrasi berbeda
G per mole tergantung dari konsentrasi larutan.
Anoda melepaskan ion dari permukaannya ke elektrolit dan
memberikan elektron mereduksi ion pada katoda
Korosi
membran katoda anoda
Fe Fe
Fe+2 Fe+2
membran untuk memisahkan elektrolit di mana anoda tercelup dengan elektrolit di mana katoda tercelup
Dalam praktik, tidak harus ada membran
Perbedaan kecepatan aliran fluida pada suatu permukaan metal dapat menyebabkan terjadinya perbedaan
konsentrasi ion pada permukaan metal tersebut
Korosi
Kecepatan fluida di bagian tengah cakram lebih rendah dari bagian
pinggirnya
Konsentrasi ion di bagian tengah lebih tinggi dibandingkan dengan
bagian pinggir
Bagian pinggir akan menjadi anoda dan mengalami korosi
cakram logam berputar
fluida
Korosi Karena Perbedaan Kandungan Gas Dalam Elektrolit
Apabila ion yang tersedia untuk proses sangat minim, kelanjutan proses yang terjadi
tergantung dari keasaman elektrolit
Korosi
H hasil reduksi menempel dan melapisi permukaan katoda; terjadilah polarisasipada katoda.
Polarisasi menghambat proses selanjutnya dan menurunkan V. Namun pada umumnya atom hidrogen membentuk molekul gas
hidrogen dan terjadi depolarisasi
katoda.
Elektrolit bersifat asam
ion hidrogen pada katoda
akan ter-reduksi terjadi reaksi − −
→
+
+
2H
O
4e
4OH
O
2 2→ konsentrasi oksigen menurun → konsentrasi ion OH−−−− di permukaan
katoda meningkat
→ terjadi polarisasikatoda→→ transfer →→ elektron dari anoda ke katoda menurun dan V juga menurun
Elektrolit bersifat basa atau netral
OH−−−− terbentuk dari oksigen yang terlarut dan air
Depolarisasikatoda dapat terjadi jika
kandungan oksigen di sekitar katoda bertambah melalui penambahan
oksigen dari luar
membran katoda anoda
Fe Fe
Korosi
Dalam praktik, perbedaan kandungan oksigen ini terjadi misalnya pada fluida dalam tangki metal Permukaan fluida bersentuhan langsung dengan
udara sehingga terjadi difusi gas melalui permukaan fluida.
Kandungan oksigen di daerah permukaan menjadi lebih tinggi dari daerah yang lebih jauh
dari permukaan
Dinding metal di daerah permukaan fluida akan menjadi katoda
sedangkan yang lebih jauh akan menjadi anoda Breather valve
Korosi Karena Perbedaan Stress
Yang mendorong terjadinya korosi adalah perubahan energi bebas Apabila pada suhu kamar terjadi deformasi pada sebatang logam (di
daerah plastis), bagian yang mengalami deformasi akan memiliki energi bebas lebih tinggi dari bagian yang tidak mengalami
deformasi.
Bagian metal di mana terjadi konsentrasi stress akan menjadi anoda dan bagian yang tidak mengalami stress menjadi katoda.
Kondisi Permukaan Elektroda
Proses korosi melibatkan aliran elektron, atau arus listrik.
Jika permukaan katoda lebih kecil dari anoda, maka kerapatan arus listrik di katoda akan lebih besar dari kerapatan arus di anoda. Keadaan ini menyebabkan polarisasi katoda lebih cepat terjadi dan
menghentikan aliran elektron; proses korosi akan terhenti. Jika permukaan anoda lebih kecil dari katoda, kerapatan arus di permukaan katoda lebih kecil dari kerapatan arus di anoda. Polarisasi
katoda akan lebih lambat dan korosi akan lebih cepat terjadi. Terbentuknya oksida yang bersifat protektif akan melindungi metal terhadap proses oksidasi lebih lanjut. Lapisan oksida ini juga dapat
melindungi metal terhadap terjadinya korosi.
Ketahanan terhadap korosi karena adanya perlindungan oleh oksida disebut pasivasi. Pasivasi ini terjadi karena anoda terlindung oleh
lapisan permukaan yang memisahkannya dari elektrolit. Namun apabila lingkungan merupakan pereduksi, lapisan pelindung dapat
tereduksi dan metal tidak lagi terlindungi.