FASE DAN ZAT MURNI

   Fase Zat

Fase merupakan besaran zat yang memiliki struktur fisika dan komposisi kimia yang seragam. Struktur fisika dikatakan seragam apabila zat terdiri dari gas saja, cair saja ataupun padat saja. Zat murni memiliki komposisi yang seragam dan tidak berubah. Zat murni dapat berada dalam beberapa fase:

·      Fase padat

·      Fase cair

·      Fase uap

·      Campuran kesetimbangan fase cair dan uap

·      Campuran kesetimbangan fase padat dan cair

·      Campuran kesetimbangan fase padat dan uap

 

      Pengertian Perubahan Fase Zat

 

Perubahan fase adalah proses perubahan bentuk suatu zat menjadi bentuk lain, salah satu faktor penyebab perubahan fase tersebut adalah kalor.

Setiap zat akan berubah apabila menerima panas (kalor). Es dipanaskan akan mencair. Air dipanaskan akan menguap menjadi uap air (gas). Apabila uap air didinginkan menjadi embun dan kembali menjadi air. Air didinginkan menjadi es. Perubahan wujud benda terjadi karena proses pemanasan dan pendinginan. Perubahan wujud itu dibagi menjadi beberapa macam.

      Berbagai Perubahan Fase Zat

 

1.      Mencair

Pencairan atau peleburan (kadang-kadang disebut fusi) adalah proses yang menghasilkan perubahan fase zat dari padat ke cair. Energy internal zat padat meningkat (biasanya karena panas) mencapai temperatur tertentu (disebut titik leleh) saat zat ini berubah menjadi cair. Benda yang telah mencair sepenuhnya disebut benda cair.

 

2.       Membeku

Membeku adalah proses perubahan wujud suatu zat daric air menjadi padat. Sebagai contoh, pada suhu tertentu air dapat membeku menjadi es. Proses membekunya suatu zat biasanya terjadi pada suhu yang rendah. Suhu ketika suatu zat cair berubah wujud menjadi padat dinamakan titik beku. Setiap benda memiliki titik beku yang berbeda-beda. Titik beku merupakan sifat fisika benda yang dapat digunakan untuk meramalkan bentuk zat pada suhu tertentu.

 

3.       Menguap

Menguap adalah proses perubahan wujud suatu zat dari bentuk cair menjadi gas atau uap. Suhu ketika suatu zat cair berubah menjadi uap disebut dengan titik uap. Ketika suatu zat cair dipanaskan pada tekanan normal (1 atm), maka pada suhu tertentu akan terlihat pada seluruh bagian zat cair timbul gelembung-gelembung yang bergerak ke atas dan kemudian pecah saat mencapai permukaan. Pada keadaan yang demikian, zat cair dikatakan mendidih. Ketika suatu zat cair mendidih, maka hamper tiap bagian zat segera berubah menjadi uap. Berdasarkan hal ini, maka titik uap sering disebut dengan titik didih. Sebagai contoh, air murni menddih ketika mencapai suhu +100 pada tekanan normal (1 atm) dan pada keadaan tersebut partikel-partikel air akan berubah menjadi gas.

 

4.       Mengembun

Kondensasi atau pengembunan adalah perubahan wujud benda ke wujud yang lebih padat seperti gas (atau uap) menjadi cairan. Kondensasi terjadi ketika uap didinginkan menjadi cairan, tetapi dapat juga terjadi bila sebuah uap dikompresi (yaitu tekanan yang ditingkatkan) menjadi cairan, atau mengalami kombinasi dari pendinginan dan kompresi. Cairan yang telah terkondensasi dari uap disebut kondensat.

 

5.       Menyublim

Sublimasi adalah perubahan wujud dari padat ke gas tanpa mencair terlebih dahulu. Misalkan es yang langsung menguap tanpa mencair terlebih dahulu. Pada tekanan normal, kebanyakan benda dan zat memiliki tiga bentuk yang berbeda pada suhu yang berbeda-beda. Pada kasus ini transisi dari wujud padat ke gas membutuhkan wujud antara. Namun untuk beberapa antara, wujudnya bisa langsung berubah ke gas tanpa harus mencair. Ini bisa terjadi apabila tekanan udara pada zat tersebut terlalu rendah untuk mencegah molekul-molekul ini melepaskan diri dari wujud padat.

 

6.       Mengkristal

Desublimasi adalah proses pengkristalan di mana hal ini terjadi karena proses mengerasnya / membekunya suatu benda yang memiliki zat-zat tertentu dan memiliki unsur-unsur zat yang dapat memberikan warna saat mengeras dan jika dilihat seperti warna Kristal. Hal ini adalah lawan dari sublimasi.

KARAKTERISIK ( SIFAT )SISTEM

Karakteristik Sistem

 

Setelah memahami tentang arti, batasan dan aturan dalam penentuan kondisi serta berbagai keterangan lengkap tentang sistem dan lingkungan, selanjutnya bahasan utama tertuju pada ciri (krakteristik) dari sifat termodinamika. Untuk mengetahui sifat termodinamik suatu zat atau benda, maka haruslah difahami mengenai keadaan zat atau benda tersebut yang direpresentasikan dari hal-hal real yang nampak atau dapat ditentukan secara kuantitas, misalnya suhu. Keadaan suatu sistem termodinamika didefinisikan juga oleh berbagai parameter, yang disebut properties (sifat).

Karakteristik termodinamika adalah suatu ciri-ciri dari sebuah sistem, dan akan memiliki nilai yang pasti (numerik) untuk tiap-tiap keadaan yang berbeda. Nilai ini dapat dinyatakan dalam persamaan titik dan juga nilai turunan yang nyata.

Berikut ini berbagai macam properties dalam thermodinamika :

1. Temperatur, yaitu keadaan suhu sistem yang dlambangkan dengan T dengan satuan Kelvin (K).
2. Massa jenis, yaitu tingkat kerapatan massa sistem terhadap volumenya yang dinotasikan dengan ρ  dan satuan kg/m³.
3. Kapasitas kalor spesifik  pada tekanan konstan, dinotasikan dengan c_p dan satuan J/(kg·K).
4. Kapasitas kalor spesifik pada volume konstan, dinotasikan dengan c_v dan satuan J/(kg·K).
5. Viskositas dnamis, dinotasikan dengan μ dan satuan N/(m²·s).
6. ν kinematic viscosity [m²/s]
7. Konduktivitas termal, yaitu daya hantaran terhadap kalor yang dnotasikan dengan k  dan satuan W/(m·K).
8. Keterbauran termal atau thermal diffusivity (α) dengan satuan m²/s.
9. Koefsien ekspansi termal volumetrik atau volumetric thermal expansion coefficient (β) dengan satuan K^-1.
10. Entalpi sistem atau enthalpy (H) dengan satuan J/kg.
11. Entropi S dengan satuan J/(kg·K).
12. Kebebasan energi gibs atau gibbs free energy (G) dengan satuan J/kg.
13. Tekanan atau pressure (p) dengan satuan (N/m²).
14. Volume (V ) dalam satuan m³.
15. Fugasitas atau fugacity (f ).
16. Keaktifan atau activity (a).
17. Potensial kimia (μ_i ).

Sifat Intensif dan Ekstensif    

                    

Selanjutnya, sifat-sirat (properties) dalam thermodinamika dibedakan dan dikelompokkan dalam dua kelompok besar, yaitu :

1. Sifat extensif

Adalah nilai properties yang tergantung pada massa dan jumlahnya. Jadi nilainya sangat dipengaruhi oleh jumlah (depend), dan hal ini juga bisa saja berubah, mengingat nilai ini bisa saja dibagi-bagi dan juga dikirim ke sistem yang lainnya. Sifat tersebut adalah sebagai berikut :

1. Massa (mass)
2.  Panjang (length)
3. Volume 
4.  Entropi (entropy)
5. Entalpi (enthalpy)
6. Energi (energy) 
7. Hambatan Elektrik (electrical resistance)
8. Tekstur (texture) 
9. Kekakuan (stiffness)
10. Nomor partikel (particle number)

2. Sifat intensif

Adalah nilai properties yang tidak tergantung pada massa dan jumlah (not depend).

1. Temperatur
2. Potensial kimia
3. Massa jenis (density)
4. Viskositas (viscosity)
5. Kecepatan (velocity)
6. Hambatan elektrik
7. Energi
8. Kapasitas kalor spesifik
9. Kekerasan
10. Titik lebur dan titik didih
11. Tekanan
12. Kelenturan
13. Elastisitas
14. Sifat dapat tempa
15. Sifat kemagnetan
16. Konsentrasi

Sebuah nilai intensif bisa didaptkan dari hasil pengoperasian nilai ektensif. Nilai massa jenis yang termasuk intensif, didapatkan dari pembagian volume dan massa yang keduanya adalah nilai extensif.

Terdapat hubungan antara sifat intensif dan extensif. Terutama dalam penulisan lambang faktor turunan dari nilai intensif spesifik. Nilai spesifik adalah nilai yang didapatkan dari nilai ekstensif per massa zat. Misalnya, volume V (huruf besar) , sedangkan volume spesifik dilambangkan v (huruf kecil dari ekstensifnya).

PEMERIAN MAKROSKOPIK DAN MIKROSKOPIK

Makroskopik versus Mikroskopik

 

Pada umumnya terdapat dua pandangan yang bisa diambil untuk menyelidiki karakteristik sistem dan interaksinya dengan lingkungan, yaitu pandangan makroskopik dan pandangan mikroskopik.

Misalnya kita mempunyai silinder mesin mobil yang diisi campuran hidrokarbon dan udara. Setelah campuran tersebut dibakar menghasilkan gas-gas yang diperikan dengan senyawa kimia tertentu. Pernyataan mengenai jumlah zat ini merupakan pemerian komposisi sistem itu. Setiap saat sistem yang diperikan dengan komposisi tersebut akan menempati volume yang ditentukan oleh kedudukan piston. Kuantitas lain yang dapat digunakan untuk memerikan sistem tersebut adalah tekanan dan temperatur. Jadi dengan demikian untuk memerikan sistem campuran hidrokarbon dalam silinder piston dengan empat kuantitas: komposisi, volume, tekanan dan temperatur. Kuantitas ini diacu sebagai ciri umum dari sistem dan merupakan pemerian makroskopik.

Sistem di atas dapat pula diperikan berdasarkan pandangan mikroskopik. Menurut mekanika statistik, sistem diandaikan terdiri atas sejumlah besar N molekul, masing-masing dapat ada dalam keadaan yang energinya E. Molekul ini dianggap saling berinteraksi melalui tumbukan atau melalui gaya yang ditimbulkan oleh medan. Konsep peluang diterapkan, dan keadaan setimbang sistem dianggap sebagai keadaan dengan peluang terbesar. Lebih lanjut bagaimana pemerian secara mikroskopik sistem tersebut akan dipelajari dalam mekanika statistik.

HUKUM TERMODINAMIKA PERTAMA

KERJA LUAR

Sebagai dasar pada bab ini dimulai drngan kerja luar . kerja bisa berupa kerja mekanik , kerja listrik , kerja magnetis , kerja dengan reaksi kimia dan lain-lain , baiklah pertama-tama disinggung mengenai kerja mekanik , kita telah mengetahui , bahwa kerja adalah hasil kali gaya dengan jarak , bila gaya satuan newton dan jarak satuan meter , maka kerja satuan newton-meter .
Bila gaya satuan Ib (pound) dan jarak satuan foot , maka kerja satuan foot-pound dan sebagainya .
Dalam thermodinamika sistem akan mrlakukan kerja pada perubahan keadaan bila ada penyimpangan boundary dari sistem terhadap gaya-gaya luar . kebiasaan dalam thermodinamika, bila vector penyimpangan ds searah dengan vektor gaya F maka kerja adalah negatif . Sebaliknya bila vector prnyimpangan ds berlawanan arah dengan vector gaya F maka kerja adalah positif .
Bila kerja negatif , berarti sistem menerima kerja dari sekelilingnya .
Ambillah gas sebagai sistem , dan permukaan yang membatasi adalah permukaan dinding dalam dari silinder dan permukaan piston . piston bergerak sejarak ds kekanan menyebabkan perubahan volume gas sebesar dV .

Arah ds berlawanan dengan arah F . Jadi sistem melakukan kerja terhadap sekelilingnya sebesar , dW = F.ds
Bila A adalah luas penampang piston , maka :
F= p.A: p = tekanan atau gaya persatuan luas penampang piston .

Maka dapat ditulis :
dW = p.A . ds

Sedangkan A. ds = dV

Dengan mensubts dV ke persamaan didapatkan persamaan yang terakhir :
dW = p.dV


a) Perubahan keadaan dengan temperatur konstan
b) Perubahan keadaan dengan tekanan konstan
c) Perubahan keadaan dengan volume konstan


Sumber : Buku TEORI SOAL PENYELESAIAN THERMODINAMIKA Werlin.S.Nainggolan

PERSAMAAN KEADAAN GAS VAN DER WALLS DAN GAS BEATTIE - BRIDGEMAN

Pada gas-gas real pv tidak sama dengan R.T , hal ini karena tenaga ikat molekul-molekul tidak dapat diabaikan begitu saja . seorang yang bernama Van Det Waals membuat rumua dengan memperhatikan tenaga ikat molekul-molekul gas sebagai berikut :

      ( p + a/v kuadrat ) (v - b ) = R.T . . . . . (1.1)

Persamaan ini disebutkan n keadaan gas V.D Waals . Pengaruh dari tenaga ikat molekul-molekul gas yang tidak dapat diabaikan begitu saja menyebabkan timbulnya suku a/ v kuadrat pada persamaan di atas . Konstanta b sebanding dengan volume yang ditempati molekul-molekul gas . konstanta a dan b berbeda untuk masing-masing gag .

PERSAMAAN KEADAAN UNTUK SISTEM-SISTEM LAIN

a) Persamaan keadaan untuk kawat logam yang ditarik dengan tegangan pada temperatur T .

b) Hukum curie untuk paramagnetic

bila suatu paramagnetic dalam suatu medan magnetic luar , magnetisasi M atau momen magnetic persatuan volume bahan tersebut tergantung pada intensitas magnetic H dan temperatur T , sebagai berikut :

     M = C.H / T

Dimana C adalah konstanta karakteristik bahan tersebut . Hubungan ini disebut hukum curie,
Momen magnetic total diperoleh dengan hubungan :

   m = C.V.H / T
Dimana
V = Volume bahan magnetic
T = temperatur bahan paramagnetic
H= intensitas

c) Polarisasi suatu dielectric dalam suatu medan listrik luar E :


  P = ( a + b/T ) . E
Dimana : a dan b konstanta dielectric tersebut .
  T = Suhu dielectric

Total dipole moment dari dielectrik tersebut :
   p = ( a + b/T ) . V.E
   V = Volume dielectric

d) Electrolytic cell , e.m.f dari cell akan dipengaruhi oleh temperatur T . Hubungan e.m.f. dengan temperatur T diberikan oleh rumus dalam bentuk deret kuasa .



Sumber : Buku TEORI DAN PENYELESAIAN THERMODINAMIKA Werlin.S.Nainggaolan

KOEFFISIEN PENGEMBANGAN DAN KOMPRESSIBILITAS

Pengaruh temperatur terhadap volune suatu zat pada tekanan konstan disebut koefisien pengembangan suatu zat . Koefisien pengembangan (koefisien expansion/koeffisien muai ruang ) .

Pengaruh tekanan terhadap volume suatu zat pada temperatur konstan disebut kompressibilitas suatu zat .
Pada persamaan konpressibilitas bertanda negatif , tanda negatif tersebut karena pertambahan tekanan menyebabkan pengurangan volume zat . karena volume jenis suatu zat adalah kebalikan dari kerapatan (density) zat atau v = 1/p .


Selanjutnya , perbandingan pertambahan tekanan dengan gas pertambahan temperatur dapat dibuat dengan cara dibawah ini . Pada pelajaran matematika kita telah mengetahui bahwa bila variabel-variabel x,y,z memenuhi persamaan F ( x, y, z ) = 0 .

PERUBAHAN KEADAAN GAS IDEAL

Perubahan Keadaan Gas Ideal

Pada gas ideal terdapat empat macam perubahan keadaan istinewa yaitu :

a) Perubahan keadaan dengan proses 

temperatur konstan (isothermal ; isothermis ) .

Diambil contoh sebagai berikut : 

Gas dimasukkan kedalam silinder-torak . keadaan gas akan diubah dari keadaan 1 ke keadaan 2 dengan menekan torak . suhu gas dijaga agar konstan dengan jalan mendinginkan dan memanaskan silinder .

Persamaan gas ideal dalam hal ini untuk temperatur T = konstan , menjadi :

     p.v = R.T = konstan . . . . . . . . . . . (1.1)

Untuk keadaan 1 dan 2 dapatlah ditulis hubungan : 

P1 . V1 = P2 . V2 . . . . . . . . . . . . . . . . . (1.2)

Hubungan tekanan p dengan volume v pada persamaan (1.1) dan persamaan (1.2) melukiskan hukum BOYLE MARIOTTE . Persamaan (1.1) adalah persamaan hyperbola sama sisi dalam koordinat (p,v) . 

b) Perubahan keadaan dengan proses volume konstan ( Isometric ; Isochoris )

Dalam hal ini keadaan gas diubah dari keadaan 1 ke keadaan 2 dengan memanaskan silinder , sedang torak ditahan supaya jangan bergerak sehingga volume gas dalam silinder tetap konstan . Tekanan gas dalam silinder akan bertambah . 

Persamaan gas ideal dalam hal ini untuk volume V = konstan , menjadi :

p = R/v . T = konstan . T . . . .  . .  . . . . . .  (1.3)

Untuk keadaan 1 dan 2 dapatlah ditulis hubungan :

p1/T1 = p1/T2 . . . . . . . . . . . . . .  (1.4)

Dalam persamaan p-V , proses isometric dilukiskan oleh garis lurus yang paralel dengan sumbu p .

Dalam diagram p-T , persamaan (1.3) adalah suatu proses persamaan garis lurus mrlalui titik 0 (0.0), dimana tekanan p adalah fungsi linier dari temperatur T . 

c) Perubahan keadaan dengan proses tekanan konstan ( isobaric )

Keadaan gas diubah dari keadaan 1 ke keadaan 2 dengan memanaskan silinder , sedang torak dibuat bebas bergerak sehingga tekanan gas dalam silinder tetap konstan .

Persamaan gas ideal dalam hal-hal untuk tekanan p = konstan , menjadi : 

    v = R/p . T = konstan . T . . . . . . . . (1.5)

untuk keadaan 1 dan 2 dapatlah ditulis :

v1/T1 = v2/T2 

d) Perubahan keadaan dengan proses adiabatic 

Pada proses adiabatic gas dalam silinder tadi tidak menerima dan tidak mengeluarkab panas . Dalam hal ini silinder diisolasi . Kerja yang dilakukan gas dalam silinder hanya sebagai hasil perubahan energi sendiri . Kejadian ini dapat pada motor bakar yang berputar dengan cepat . 

Sumber : Buku Teori Soal Dan Penyelesaian Thermodinamika Werlin.S.Nainggolan