Makalah Perubahan Fase Zat dan Persamaan Clausius Clapeyron

8/9/2019 Makalah Perubahan Fase Zat dan Persamaan Clausius Clapeyron

1/56


2/56

KATA PENGANTAR

Puji syukur kita panjatkan kehadirat Allah SWT atas berkah dan

rahmat-NYA jualah kami dapat menyelesaikan makalah ini dengan baik.

Makalah ini dapat kami selesaikan tentu saja dengan bantuan orang-

orang disekitar kami.

Adapun makalah yang kami tulis bertemakan Pergantian fase

peleburan! penguapan! dan sublimasi. "an bahan makalah ini kami

peroleh dari berbagai buku. #ami pun mengu$apkan terima kasih yang

sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam

proses penyusunan makalah ini! yakni

%.&apak Apit 'aturohman! S.Pd.! M.Si selaku dosen pengampuh

termodinamika.(.Teman-teman 'akultas #eguruan dan )lmu Pendidikan prodi

Pendidikan 'isika.*.+rang tua kami yang senantiasa memberikan dukungan untuk

kelan$aran penyusunan karya makalah.

Semoga makalah ini dapat bermanfaat untuk semua pihak. #ritik dan

saran sangat kami harapkan! agar menjadi lebih baik kedepannya.

)ndralaya! ,anuari (%

Penulis

DAFTAR ISI

#ATA P/N0ANTA1...................................................................................i


3/56

"A'TA1 )S)................................................................................................ii

&A& ) P/N"A2343AN

A. 4atar &elakang..................................................................................%

&. 1umusan Masalah............................................................................%

5. Tujuan Masalah.................................................................................(

&A& )) P/M&A2ASAN

1. 'AS/ "AN P/13&A2AN 'AS/ 6AT................................................*

%.% 'AS/.......................................................................................*

%.( #A4+1 ...................................................................................*

%.* P/13&A2AN 'AS/...............................................................7

2. P/10ANT)AN +1"+-P/1TAMA P/1SAMAAN 54AP/Y1+N.......8

(.% Peleburan.............................................................................%%

(.( Penguapan...........................................................................%7

(.* Sublimasi..............................................................................(*

(.7 Tetapan 3ap.........................................................................(9

(. Pengukuran Tekanan 3ap...................................................*%

*. P/1M3#AAN T/1M+")NAM)#A....................................................*

7. P/1SAMAAN 54A3S)3S 54AP/Y1+N.........................................*:

. P/N/1APAN P/1SAMAAN 54A3S)3S 54AP/Y1+N "A4AM

')S)#A .............................................................................................*8

.%P+MPA #A4+1 ........................................................................*;

.%.% M/S)N 1/'1)0/1AS) S)#43S

A&S+1PS) ........................7(

.%.( TA&3N0


4/56

. 4AT)2AN S+A4 "AN P/M&A2ASAN..............................................7:

:. S+A4 / #3N5) ,AWA&AN............................................79

&A& ))) P/N3T3P

A. #esimpulan.....................................................................................7;

&. Saran..............................................................................................7;

"A'TA1 P3STA#A.................................................................................


5/56

BAB 1

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Pada saat pergantian fase terkenal proses yang terjadi yaitu proses

peleburan! penguapan! dan sublimasi. Proses peleburan ! penguapan!

dan sublimasi ini merupakan proses yang sering terjadi dalam kehidupansehari-hari. ,ika dilihat se$ara sederhana proses peleburan! penguapan !

dan sublimasi merupakan proses yang sederhana juga. #arena proses

pergantian fase ini sudah pernah dipelajari se?aktu duduk di bangku

sekolah dasar dengan materi penguapan! peleburan! dan sublimasi yang

masih sangat sederhana. "ilanjutkan pada ?aktu pembelajaran di bangku

sekolah menengah dengan proses yang sama tentang peleburan!

penguapan! dan sublimasi namun dengan materi yang lebih mandalam

dan lebih rumit lagi. Namun dalam termodinamika proses peleburan !

penguapan! dan sublimasi ini dilihat se$ara lebih mendalam. Sehingga

proses yang lebih rumit tentang ketiga proses tersebut akan dibahas lebih

mendalam lagi. "alam termodinamika juga mulai dikenal istilah-istilah

baru mengenai pergantian fase. )stilah-istilah baru yang dikenal dalam

pergantian fase tersebut seperti perubahan bentuk #ristal! yang

temperature dan tekanannya tetap! sedangkan entropi dan @olumenya

tetap. +leh #arena itu proses pergantian fase dalam termodinamika akan

sangat menarik untuk dibahas.

B. Rumusan Masalah

%. &agaimana perubahan fase atB(. &agaimana menerapkan persamaan 5lausius 5lapeyron dalam

kehidupan sehari-hariB


6/56

. Tu!uan

%. Mampu meneliti pengaruh kalor terhadap perubahan fase at!

(. Mampu mendeskripsikan dan menerapkan persamaan 5lausius

5lapeyron dalam kehidupan sehari-hari.

BAB II


7/56

PEMBAHASAN

1. FASE" #AL$R DAN PERUBAHAN FASE %AT

a. FASE

Suatu at yang murni memiliki sifat yang homogen. 6at tersebut

dapat memiliki lebih dari suatu fase! tapi setiap fase harus memiliki

komposisi kimia?i yang sama. Air merupakan at murni. &erbagai

kombinasi dari ketiga fase memiliki komposisi kimia?i yang sama. 3dara

bukan merupakan at murni! karena udara $air dan uap udara memiliki

komposisi yang berbeda.

Suatu at memiliki * fase yang berbeda padat! $air dan gas.

Misalkan sebuah benda padt dimasukkan ke dalam piston silinder dan

tekanan nya dijaga pada nilai konstan. #alor ditambahkan ke dalam

silinder! sehingga at tersebut mele?ati semua fase yang berbeda. #etika

suatu at pada dengan temperatur yang rendah kemudian ditambahkan

kalor sampai at tersebut mulai men$air. Penambahan kalor lebih lanjut

akan men$airkan seluruh at padat tersebut sementara temperatur nyatetap konstan. Setelah seluruh at padat tersebut $air! temperatur dari

$airan yang dihasilkan akan menigkat lagi sampai uap tersebut mulai

terbentuk! keadaan ini disebut keadaan $airan jenuh.

5airan air! $ampuran dari $airan air dan uap air! atau $ampuran es

dan $airan air adalah aat murni karena setiap fase mempunyai komposisi

kimia sama yaitu 2(+. Namun! $ampuran udara air dan udara gas bukan

merupakan at murni karena komposisi fase udara $air berbeda dengan

fase udara uap. #adang-kadang $ampuran gas seperti udara dianggap

sebagai at murni sepanjang tidak ada perubahan fase karena udara

mempunyai beberapa karakteristik at murni.

2.2 #AL$R

Suatu usaha yang melalui energinya dapat dipindahkan se$ara

makroskopik ke atau dari suatu sistem. /nergi juga dapat dipindahkan

se$ara mikroskopik ke atau dari suatu sistem melalui $ara-$ara interaksi


8/56

antar molekul yang membentuk permukaan sistem dan lingkungannya.

,ika molekul dari batas sistem lebih aktif dari pada molekul dari batas

lingkungannya! maka energi dipindahkan dari sistem ke lingkungan

dimana molekul yang $epat memindahkan molekul yang lambat. Transfer

energi makroskopik ini disebut kalor.

#alor adalah energi yang dipindahkan melintasi batas suatu sistem

yang disebabkan oleh perbedaab temperature oleh sistem dan

lingkungannya. Suatu sistem tidak menyimpan panas tapi menyimpan

energi! dan kalor merupakan energi yang sedang mampir. 2al ini sering

disebut perpindahan kalor.

,ika kalor dipindahkan ke suatu sistem maka nilainya positif! ika

kalor dipindahkan dari suatu sistem maka nilainya negatif. Perpindahan

kalor positif menambahkan energi ke suatu sistem.

2.& PERUBAHAN FASE

'am(ar 1. Peru(ahan )ase a*r +ar* ,-mresse+ l*/u*+ men!a+*

saturate+ l*/u*+

1.&.1 -mresse+ L*/u*+ 0a*ran Terk-mres*

Misalkan anda menempatkan air pada suatu peralatan berbentuk

piston silinder pada suhu (C5 D(;*.% #E dan tekanan % atm. #ondisi

yang seperti ini disebut dengan istilah compressed liquid atau subcooled


9/56

liquid yang berarti bah?a $airan tersebut belum siap untuk menguap

Dgambar %.%E. Apabila sistem tersebut dipanaskan! maka suhu air akan

meningkat Dmisalkan menjadi :C5E yang diikuti dengan terjadinya

peningkatan @olume dari sistem akibat pengembangan dari @olume air

tersebut.


10/56

#E dan tekanan P H % atm Dgambar (.7E. Satu-satunya properti yang

berubah adalah spe$ifi$ @olume. #ondisi ini terus berlangsung hingga

tetes $airan terakhir berubah menjadi uap. Pada titik ini! seluruh silinder

telah menjadi uap yang memiliki suhu %C5 D*9*.% #E. #eadaan ini

disebut dengan istilah saturated vapor gambar (..

#eadaan diantara titik Saturated 4iGuid hingga saturated @apor

dimana air berada didalam dua fasa se$ara bersamaan ini disebut

dengan saturated liquid-vapor mixture.

1.&.6. Suerheate+ a-r

Setelah semuanya menjadi uap! penambahan panas pada sistem

akan meningkatkan suhu dari uap air tersebut. keadaan ini disebut

dengan superheated vapor Dgambar (.:E.

Perbedaan antara saturated @apor dan superheated @apor adalah

bah?a pada saturated @apor! jika kita kurangi sedikit saja panas dari

sistem! maka ia akan mulai mengembun! sementara pada superheated

@apor! penguranan energi panas hanya akan menurunkan suhu uap saja!

tidak akan merubah fasanya.

1epresentasi dari setiap kondisi yang digambarkan pada proses

pemanasan air yang menyebabkan terjadinya perubahan fasa!

digambarkan pada suatu grafik T-@. Pada sumbu @ertikal menunjukkan

nilai suhu dalam derajat $el$ius dan pada sumbu horiontal menunjukkan

nilai spesifik @olume dalam meter kubikFkilogram! sebagaimana dapat

dilihat dalam gambar berikut


11/56

'am(ar &. Hu(ungan antara suhu +engan ses*)*k 4-lume a+a

eru(ahan )asa a*r a+a tekanan 1 atm

Proses %-(-*-7- adalah pemanasan pada tekanan konstan

Proses -7-*-(-% adalah pendinginan pada tekanan konstan

Perlu diingat! bah?a grafik diatas berlaku untuk tekanan % atm saja

DPH % atmE. &ila tekanan dinaikkan! maka grafik akan bergeser ke atas.

2al ini terjadi karena suhu dan tekanan merupakan properti yang saling

terikat pada proses perubahan fasa. Sebagai akibatnya! suhu didih akan

tergantung pada tekanan pada sistem. Semakin tinggi tekanan! maka

suhu didih akan menjadi semakin tinggi.

&ila diberikan tekanan tertentu! maka suhu dimana suatu at murni

mengalami perubahan fasa disebut dengan suhu saturasi atau saturation

temperature (T sat ).


12/56

"emikian pula! bila diberikan suhu tertentu! tekanan dimana suatu

at murni mengalami perubahan fasa disebut tekanan saturasi atau

saturation pressure (P sat ).

Pada proses perubahan fasa terlihat bah?a dengan memberikan

panas tertentu pada suhu saturasi! belum merubah fasa dari $air menjadi

uap. 3ntuk merubahnya diperlukan sejumlah energi panas tertentu

hingga fasa $air baru bisa berubah menjadi fasa uap. &esarnya energi

yang diperlukan untuk merubah fasa $air menjadi fasa uap ini dikenal

dengan sebutan dengan #alor 4aten DLatent Heat of Vaporization dan

jumlah nya sama dengan energi yang dilepaskan uap untuk berubah

kembali menjadi fasa $air selama proses pengembunan. Sebagai $ontoh!

pada tekanan % atm! kalor laten air adalah sebesar ((9.% k,Fkg

2. Pergant*an $r+e Pertama7 Persamaan lae8r-n

Pada pergantian fase yang terkenal Dpeleburan! penguapan! dan

sublimasiE dan juga pada pergantian fase yang kurang terkenal

Dperubahan bentuk #ristalE! temperatur dan tekanannnya selalu tetap!

sedangkan entropi dan @olumnya berubah. Tinjaulah n mol bahan dalam

fase i dengan entropi molar s(i) dan @olum molar v (i). keduanya! s(i) dan v (i E!

adalah fungsi dari T dan P sehingga selalu tetap selama pergantian fase

berlangsung sampai semua bahan dalam fase f dengan entropi molar s(f)

dan @olum molar v (f). DPerbedaan fase ditunjukan oleh tikalas supaya kita

bias menyediakan pemakaian tikalas intuk memberi perin$ian keadaan

yang berbeda dari fase yang sama atau at yang berbedaE. Ambil x sama

dengan bagian fase mula-mula yang sudah diubah menjadi fase akhir

pada setiap saat. ,adi entropi dan @olum $ampuran pada setiap saat. ,adi

entropi dan @olum $ampuran pada setiap saat! yaitu S dan

S=n0 (1− x ) s(i )+n0 x s

(f )

dan V =n0 (1− x ) s(i )

+n0 x s(f )


13/56

Terlihat S serta < merupakan fungsi linear dari I.

,ika pergantian fase terjadi se$ara terbalikkan! kalor Dbiasa dienal sebagai

alo latenE yang dipindahkan per molnya ialah.

s( f )−s (i)

l=T ¿

,adi! keberadaan kalor laten mengandung arti bah?a terdapat perubahan

entropi. #arena

dg=−s dT +vdP,

s=−( ∂ g∂ P ) P ,

dan v=( ∂ g∂ P )T ,

kita dapat men$irikan pergantian fase yang terkenal dengan salah satu

pernyataan yang setara berikut ini

1. Terdapat perubahan entropi dan @olum

2. Turunan pertama fungsi 0ibbs berubah se$ara takmalar

Setiap perubahan fase yang memenuhi persyaratan tersebut dikenal

sebagai pergantian fase orde pertama. 3ntuk perubahan fase seperti itu!

@ariasi temperatur dari 0! S!

kasar dalam gambar %.%.

Pergantian fase dapat dianggap terjadi se$ara terbalikkan dalam dua

arah. 0rafik keempat yang memperlihatkan kelakuan 5p sangatlah penting

karena 5p dari campuran dua fase selama ter!adi per"antian fase men!adi

ta terhin""a#. 2al ini berlaku karena pergantian terjadi pada Tdan P yang

tetap. &ila P tetap! dT H J atau bila T tetap! dP H . ,adi!


14/56

C p=T ( ∂ s∂ T ) p=∞ , β= 1

V (∂ V

∂ T ) p=∞ ,=−1V (

∂ V

∂T ) p=∞.

Namun! perlu diperhatikan bah?a pernyataan itu hanya benar bila kedua

fase itu ada. Seperti diperlihatkan dalam gambar %.%d! 5p fase % tetap

berhingga sampai temperatur pergantian ter$apai. "alam gambar tersebut

tidak terlihat adanya antisipasi terjadinya pergantian fase dengan

menaiknya 5p sebelum temperature ini ter$apai. 2al seperti ini selalu

benar untuk pergantian fase orde pertama! tetapi tidak untuk segala jenis

pergantian lainnya.

Persamaan T dS kedua memberikan hasil yang taktertentu bila diterapkan

pada pergantian fase orde-pertama. 3ntuk suatu bagian ke$il berlaku!

T dS=C p dT −TVβdP

dengan C p=∞ dan dT =0 ; dan juga β=∞ dan dP=0 .

Namun! persamaan T dS yang pertama bias diintegrasi melalui pergantian

fase. &ila % mol at diubah se$ara terbalikkan! isotherm! dan isobar! dari

fase (i) ke fase (f)! persamaan T dS nya yaitu

T ds=c v dT +T ( ∂ P∂T )v dv

"apat diintegrasi dengan pengertian bah?a berbagai P dan T ketika

terjadi pergantian fase memenuhi hubungan yang menyatakan bah?a P

merupakan fungsi dari T saja! tak bergantung pada

( ∂ P∂ T )v=dP

dT

,adi!v

(f )−v (i)

T ( s( f )−s (i ) )=T dPdT

¿

1uas kiri persamaan ini adalah kalor laten per mol! sehingga


15/56

dP

dT =

1

v( f )−v ( i)

D%.%E

Persamaan %.% dikenal sebagai persamaan $lape%ron dan berlaku untuk

setiap perubahan fase orde-pertama atau pergantian yang berlangsung

pada T dan P tetap.

Sangatlah bermanfaat bagi kita untuk menurunkan persamaan 5lapeyron

dengan $ara lain. 'ungsi 0ibbs tetap selama suatu proses terbalikkan

berlangsung pada temperatur dan tekanan tetap. ,adi suatu perubahan

fase pada T dan P!

g(i )=g( f )

"an untuk perubahan fase pada T +dT dan P+dP

g(i )+dg(i )=g( f )+dg (f )

"engan mengurangkannya! kita dapatkan

dg( i)=dg( f )

Atau −s (i) dT +v (i ) dP=−s (f ) dT +v (f ) dP

,adidP

dT =

s( f )−s (i )

v ( f )−v ( i) !

"an akhirnya!dP

dT =

1

T (v ( f )−v (i ))

"alam membahas pergantian fase! kita perlu menunjukkan dengan

$ara sederhana fase a?al dan akhir kalor pergantian yang bersesuaian.

Notasi yang dipakai dalam buku ini adalah sebagai berikut. 4ambang yang

menggambarkan setiap sifat fase padat akan bertanda aksenJ fase $air

akan bertanda d?i-aksen! dan fase uap triaksen. ,adi @K menyatakan

@olum molar padatan ! @L untuk $airan! dan @LK untuk uap. #alor lebur


16/56

DlelehE per mol ialah l F ! kalor penguapan DpendidihanE lV ! dan kalor

sublimasi lS .

1. Pele(uran

Metode paling sederhana untuk mengukur kalor lebur at padat

ialah dengan mengirimkan energi listrik dengan laju tetap dan mengukur

temperaturnya pada selang ?aktu yang memudahkan. "engan rajah

temperatur terhadap ?aktu! diperoleh kur@a pemanasanJ di sini pergantian

fase mun$ul sebagai garis lurus pada temperatur tetap yang panjangnya

∆ τ ! diukur sepanjang sumbu ?aktu. 1adarnya! perlindungannya!

penjagaannya dan seterusnya tepat sama dengan pengukuran kapasitas

kalor. ,ika terdapat n mol at padat yang melebur dalam ?aktu ∆ τ

dengan pemberian energy listrik yang lajunya εI ! maka

l F =εI ∆ τ

n

,ika TM menyatakan titik lebur normal suatu at padat dan l FM

adalah kalor laten peleburan pada titik lebur normal! maka perubahan

entropi yang berkaitan dengan perubahan pada temperatur ini ialah

l FM

R T M ! dinyatakan dalam satuan 1. Perubahan entropi ini didaftarkan

dalam tabel %.% untuk % at padat non logam dan % logam! dan dapat

dilihat bah?a logam menunjukkan keteraturan lebih banyak daripada

nonlogam. Se$ara kasar!l FM

R T M adalah sekitar % untuk logam.

&erbagai harga tekanan dan temperature terjadinya keberadaan

bersama antara fase padat dan $air dalam kesetimbangan menentukan

kur@a peleburan dan salah satu tugas ahli per$obaan ialah menentukan

persamaan kur@a ini. "alam daerah temperatur rendah! temperature dan


17/56

tekanan lebur seringkali diukur dengan metode apiler tersumbat seperti

yang terlihat dalam gambar %.(.

&ahan dalam fase gas dimampatkan sehingga bertekanan tinggi

dan dipaksa masuk ke dalam kapiler baja yang sebagian dibenamkan

dalam bak berisi $airan yang temperaturnya dapat diatur menurut

keinginan kita dengan $ara memilih $airan serta tekanannya. "ua buah

manometer! M% dipasang sebelum bak dan M( sesudahnya! terhubungkan

dengan kapiler. Tekanan lebur yang berkaitan dengan temperatur bak

sama dengan pemba$aan maksimum pada M(. /mpat kur@a peleburan

dari neon! argon! krypton! dan Ienon diperlihatkan dalam gambar %.*.

"alam tahun %;(;! '. /. Simon dan 0. 0latel mengusulkan suatu

persamaan yang $ukup berhasil untuk menyatakan data pada kur@a

peleburan! sebagai berikut

P− PTP=a

[( T

T TP

)

c

−1

]"engan TTP dan PTP menyatakan koordinat titik tripel! dan a serta $ adalahtetapan yang bergantung pada atnya. Pada temperatur tinggi PTP

diabaikan! sehingga persamaan yang biasa dipakai berbentuk

P

a=( T T TP )

c

−1

2arga a dan $ untuk empat jenis gas mulia yang terkondensasi yang

diperlihatkan dalam gambar %.* didaftarkan dalam tabel %.(! dan harga

untuk at padat lainnya telah diberikan oleh S. /. &abb.

Ta(el 19.2 Parameter peleburan untuk gas mulia yang terkondensasi

'as Mul*a 8ang

tera+atkan

TTP" # PTP" kPa a" MPa ,


18/56

Ne

Ar

#r

=e

(7!:

8*!8

%%:

%:%

7*!(

:;!

9*!*

8%!9

%*!:

((9!

*!

*7!

%!:

%!

%!7

%!*%

#emiringan kur@a peleburan berharga negatif untuk at seperti es )

yang men$iut ketika men$air. #elakuan ini juga diperlihatkan oleh &i! 0e!

Si! dan 0a! serta harga T yang diperlukan dalam persamaan Simon

kurang dari pada TTP. Akibat- nya harga a menjadi negatif. &erbagai harga

a dan $ untuk keempat bentuk es diperlihatkan dalam gambar %.7.

"alam gambar %. diperlihatkan berapa besar tekanan dan temperature

yang diperlukan untuk menghasilkan karbon gas dan $airan dan juga

bentuk padatan #ristal dan intan.

Teori mengenai proses yang sebenarnya terjadi bila suatu at

padat melebur telah menarik perhatian fisika?an selama bertahun-tahun.

Teori yang mula-mula diusulkan oleh 4indermann menyatakan bah?a at

padat melebur bila amplitude getaran kisi menjadi $ukup besar untuk

mematahkan gaya tari memegang kisi ituJ dalam kalimat yang lebih

mudah! "alam peleburan! at padat menggun$angkan dirinya sehingga

pe$ahK. "engan pandangan ini! 4indermann menurunkan rumus

mv

2 /3

2

T M 019.&

"engan m dan @ merupakan berat molekul dan @olum molar!

temperatur karakteristik "ebye! dan TM temperature lebur. 2ubungan ini

dipenuhi $ukup baik oleh berbagai logam dan non logam! tetapi ada

beberapa yang menyimpang se$ara radikal dari rumus itu . 2al ini

menunjukkan bah?a proses bukan semata-mata persoalan getaran kisi

saja. "islokasi dan lo?ongan dalam kisi #ristal! demikian juga kuantitas

yang meberi spesifikasi pada hukum gaya antar molekul pada padatan


19/56

dan $airan! semuanya dianggap memainkan peranan. &erdasarkan

gagasan seperti itu dapat diletakkan sedikit dasar teoritis untuk

persamaan Simon.

2. Penguaan

#alor penguapan $airan dengan titik didih normal dari ( #

sampai sekitar # pada umumnya diukur langsung dengan $alorimeter

seperti yang diperlihatkan dalam gambar %.:. 5ontoh $airan 4(

dimasukkan kedalam tabung ke$il dan kedalamnya di$elupkan kumparan

pemanas ke$il 1(. Tabung ini dilingkungi oleh bejana yang berisi

$ampuran udara dan uap $airan 4(. "engan memilih $airan 4% yang $o$ok

dan mempertahankannya pada temperature didihnya dengan memakai

kumparan pemanas 1% dalam udara dengan tekanan yang sesuai!

temperature dalam bejana dapat dipertahankan menurut yang

dikehendaki. Pada temperature terpilih ini! $airan 4( dalam kesetimbangan

dengan uapnya. Tabung ke$il berisi 4( berhubungan dengan tabung lain di

luarnya Dtidak tergambarE yang biasa dipertahankan pada temperature

yang diinginkan oleh ga?ai pemanas atau pendingin yang dikendalikan

se$ara terpisah

,ika temperature tabung luar dipertahankan pada temperature yang

kurang dari pada 4(! maka suatu gradient tekanan timbul! dan sejumlah

$airan 4( tersuling. "engan mempertahankan arus ke$il # dalam kumparan

pemanas 1(! temperature 4( dipertahankan sama dengan lingkungannya!

dan energy yang diperlukan untuk menguapkannya tersedia. "engan

demikian terjadi penyulingan tunak dari 4( ke dalam tabung luar! dengan

kalor penguapan disediakan oleh kumparan pemanas 1(! dan kalor

pengembun diambil oleh lingkungan tabung luar itu. Tambahan lagi!

seluruh energy yang diberikan oleh pemanas 1( dipakai untuk

menguapkan 4(! karena tidak ada kalor yang hilang antara tabung dalam


20/56

dengan sekelilingnya. Akibatnya! jika n mol teruapkan pada ?aktu t! kalor

penguapan per mol ialah

)@ HεIτ

n

Ta(el 19.& Data Penguaan :

%at T"# T;T I"


21/56

%*; (

!8:

(!8;

!;(

%

7*;

*;

**

;

(7**(

5+T5 H %7!(* #

P5 H *!7;8 MPa

9(!78%!:

*;;%;%%%(%%(:%*

!%

:!8

(!9

:!99

9!8(

!8:

*!8;

;!;(

9

:7(

;:7

%(

777;

7%*

%*(

((8

(%;;

7!87*!9*:!7

*(!((;!7:(!%(%;!;8%7!%;

*!7%%!

*

:!

%%(%7%8((:(***;

%;!79:!*(%!*7

!:!7!(9;!%8!%;

8!9!8:!:9

:!7!7!:9*!9((!

2al yang lebih menarik adalah $airan kriogenik dengan titik didih

normal disekitar % # atau kurang. 3ntuk $airan ini! orang harus memilih

informasi yang terdapat dalam buku pegangan keteknikan-yaitu tekanan!

entropi! entalpi! dan @olum! dari $airan jenuh serta uap jenuh pada

temperature titik tripel hinggatitik kritis. &eberapa table seperti ini sekarang

tersedia! dan kalor penguapan bisa diperoleh dengan melakukan

pengurangan hKKK hKK. dalam table %.* disajikan data penguapan untuk

beberapa $airan sederhana yang diperoleh dari table termodinamik yang

disusun oleh


22/56

"alam gambar %.9! kalor penguapan )@ yang dibagi oleh

temperature kritis T5 telah dirajah terhadap kuantitas P D@KKK @KKEFT dari

sekitar ! T5 hingga !;8 T5. #ita telah melihat bah?a titik-titik untuk lima

ma$am gas terletak pada suatu garis yang sama sehingga kita bisa

menganggap bah?a titik-titik serupa itu! untuk $airan sederhan lainnya!

terletak pada garis lurus yang sama. "engan istilah sederhanaK

dimaksudkan $airan seperti #r! =e! +( yang molekulnya tidak memiliki

momen d?ikutub Datau hanya ke$il sajaE dan tidak Menyangkut fase $air

dan fase uap. "engan menentukan kemiringan garis dalam gambar %.9!

yaitu !7! kita bisa melukiskan

Iv /Tc P(vᶬ−vᶯ)/T

=5.4 D 3ntuk ! OT

Tc


23/56

'am(ar 19.> Hukum kea+aan 8ang (ersesua*an (erlaku untuk

temerature tere+uks* antara 9"? h*ngga 1

2ubungan ini dapat dipandang sebagai hukum keadaan yang bersesuai.Namun! dalam bentuk yang sekarang! rumus itu mempunyai kegunaan

yang terbatas karena melibatkan pengetahuan tentang begitu banyak

kuantitas. ,adi! sangat menarik bagi kita untuk memeriksa akibat dari

kesebandingan yang aneh ini. Mula-mula kita tuliskan persamaan

5lapeyron dalam bentuk.

Iv /TcdP / P

dT /T ²=

Iv

P(!ᶬ−!ᶯ)/T =¿Tc ¿

P (vᶬ−vᶯ) /T


24/56

Perhatikan bah?a ruas kanannya sama dengan !7 T$. Persamaan yang

dihasilkan! yaitu

dP

P =5,4Tc

dT

T ²

&isa diintegrasi dari T ke T$ dan dari Pke P$! asal saja TFT$ tidak kurang

dari pada !. ,adi!

ln Pc

P =5,4Tc(

1

T −

1

Tc)

atau

P

Pc=5,4(1−¿

Tc

T )

ln ¿D 3ntuk ! O

T

Tc


25/56

'am(ar 19.@ 2ukum keadaan yang bersesuaian untuk $airan sederhana.

D/. A. 0uggenheim! Thermodynami$s! )nters$ien$e! %;:9E

Terdapat akibat yang menarik lainnya dari hukum keadaan yangbersesuaian seperti diberikan dalam persamaan D%.E yang bisa jelas jika

kita membatasi diri pada daerah temperatur yang ke$il yang $ukup jauh

dari titik kritis. "engan demikian kita diiinkan untuk memandang )@

sebagai suatu tetapan! katakanlah! sekitar titik didih normalnya. "alam

daerah ini! jika dibandingkan dengan @KKK ! @KK dapat diabaikan! dan tekanan

uapnya $ukup ke$il untuk dihampiri leh persamaan keadaan gas ideal!

atau @KKK H 1TFP. "alam kondisi ini! persamaan 5lapeyron menjadi


26/56

dP

P =

Iv

R T 2/ P,

atau

Iv

R=−d ln P

d ( 1T )

=−d ln(

P

Pc)

d ( 1T )

,ika persamaan ini kita integrasi melalui selang temperatur ke$il sekitar T ᵦ

! dengan )@ memiliki harga tetap )@ ! kita dapatkanᵦ

ln P

Pc="#"apan−

Iv ᵦ

RT D%.:E

"alam tabel %.7! titik didih normal dari %7 $airan sederhana

didaftar bersama dengan titik kritisnya! serta titik didih normal

tereduksinya T FT$! terlihat terletak antara !9 dan !:% yang masihᵦ

termasuk dalam selang hukum keadaan yang bersesuaian. ,adi dengan

membandingkan persamaan D%.E dan D%.:E kita dapatkan

Iv ᵦ

R =5,4Tc D%.9E

Ta(el 19.6 #al-r enguaan a+a t*t*k +*+*h n-rmal" I4 :ᵦ

a*ran T "ᵦ

#

T,"

#

T ;T,ᵦ I4 "ᵦ

#


27/56

2&r (: *:* !:9 %9.:%8 (%%; %!*

54₂ (*8 7%9 !9 %8.78 ((%7 ;!*

• "iambil dari #uman 1anje@i$! 2andbook of Thermodynami$

Tables and 5harts! Mo0ra?-2ill! Ne? York! %;9:.

"engan memakai data dalam tabel %.7! grafik )@ F1 terhadap T$ᵦ

diperlihatkan dalam gambar %.;! dan lagi-lagi suatu garis lurus diperoleh

untuk %7 $airan sederhana. #emiringan garis ini ialah !8! hampir sesuai

dengan harga yang diharapkan Dkesesuaiannya lebih baik lagi jika hanya

ditinjau sembilan $airan yang pertamaE.

'am(ar 19. hukum kea+aan 8ang (ersesua*an untuk kal-r

enguaan ,a*ran se+erhana a+a temeratur tere+uks* sek*tar 9"


28/56

#arena titik didih tereduksi dari banyak $airan berada di sekitar

!: ! persamaan D%.9E dapat dipandang sebagai hukum keadaan yang

bersesuaian! dengan pernyataan

)@ D padaᵦ T

Tc Q !: E H !71T$

"engan menga$u pada tabel %.7 ! perhatikan bah?a hasil bagi

yang di$antumkan dalam kolom terakhir tidak tetap! tetapi naik terhadap

T . Namun! kenaikannya $ukup ke$il sehingga hampiran kasar didapatkanᵦ

dengan mengambil )@F1T sekitar ; suatu kaidah kerja yang dikenalᵦ

sebagai aidah Trouton yang sangat berguna bila T$ belum diketahui.

&. Su(l*mas*

Su(l*mas*7 ersamaan #*r,hh-))

Persamaan 5lapeyron untuk sublimasi ialah

$

v$ $ $ −v¿

¿T ¿dP

dT +

ls¿

!

#eterangan

v$ $ $ H @olume molar uap

v$ H @olume polar padatan

Sublimasi biasanya terjadi pada tekanan renda!uapnya bisa dipandang

sebagai gas ideal!sehingga

v$ $ $

% RT

P

#arena P ke$il! v $ $ $ menjadi besar!benar benar jauh lebih besar

daripada @olume molar padatan!sehingga v$ bisa diabaikan!atau


29/56

$ $ $ −¿v $ % v $$ $

v¿

Persamaan 5lapeyron bisa ditulis

ls H 1dP/ P

dT /T 2

H -1

d∈ P

d (1

T )

H - (!* 1

d log P

d (1

T ) !

Sehingga dapat dilihat bah?a lS sama dengan (!* 1 kali kemiringan

kur@a yang diperoleh bila log P dirajah terhadap %FT. Tekanan uap padatan

biasanya diukur untuk selang temperatur yang ke$il. "alam selang ini

grafik log P terhadap %FT praktis merupakan garis lurus!atau

log P=−"#"apan

T +"#"apan.

Menurunkan persamaan 'irchhoff untuk kalor sublimasi suatu sistem

kimia diberikan oleh

d&=T ds+v dP

Masukkan persamaan T d s kedua!kita dapatkan

d&=c p dT +[v−T ( ∂ v∂ T ) p]dP¿c p dT +v (1− βT ) dP

Perubahan entalpi yang berlebihan antara dua keadaan Pi T i dan

Pf T f ialah


30/56

& f −& i∫i

f

c p dT +∫i

f

v (1− β T )dP . kita terapkan persamaan ini pada at

padat yang keadaan a?alnya i$ pada tekanan nol dan pada temperatur

nol mutlak!yang keadaannya akhirnya f $

'am(ar 19.19 Bag*an ermukaan PT +* (aCah t*t*k tr*el

Merupakan at padat jenuh Dat padat yang hampir bersublimasiEyang digambarkan oleh suatu titik pada kur@a padatan-jenuh diba?ah titik

tripel. #edua keadaan ini diperlihatkan pada permukaan P


31/56

#eterangan

v $ H @olum molar at padat pada nol mutlak

c p$

H kapasitas kalor molar pada tekanan P tetap.

Sekarang!tekanan pada sebuah titik pada kur@a sublimasi untuk

hampir semua at padat biasanya amat ke$il. Misalnya! untuk es biasa

berkisar antara hingga sekitar : PaJ untuk kadmium dari hingga %

Pa. ,adi! jika kita batasi pemakaian rumus ini at padat pada temperatur

dengan tekanan uap amat ke$il!kita dapat mengabaikan ∫0

P

v$

dP!dan

&$ =∫

0

T

c p$

dT +&0$

D%.8E

#arena c p$

suatu at padat tidak berubah banyak terhadap

tekanan!harga c p

$ pada tekanan atmosfer dapat dipakai dalam integral

di atas. /ntalpi uap jenuh yang ditujukan dalam gambar %.% dapat

dihitung berdasarkan anggapan bah?a uap jenuh pada tekanan rendah

berkelakuan seperti gas ideal. #embali ke persamaan umum c P H

( ∂ &∂T ) p dan mengingat bah?a entalpi gas ideal sebagai fungsi daritemperatur saja!kita dapatkan

d&$ $ $ =c p

$$ $ dT .

"engan mengintegrasi dari nol mutlak hingga T !kita dapatkan

&$ $ $ =∫

0

T

c p$ $ $ +dT +&0

$$ $ D%.;E

"engan &0$ $ $

menyatakan entalpi molar uap jenuh pada nol mutlak.


32/56

Sekarang! ditinjau sublimasi keterbalikan % mol at padat pada temperatur

T dan tekanan P yang bersesuaian dengan transisi dari f

$

ke f

$ $ $

dalam gambar %.%.

#ita dapatkan ls=&$$ $ −&$

¿∫0

T

c p$$ $

dT −∫0

T

c p$

dT +&0$ $ $ −&0

$ .

#arena kedua ntegral itu mendekati nol ketika T mendekati nol!maka

ls '& 0$ $ $ −&0

$ ketika T ' !

"an &0$ $ $

adalah alor sublimasi pada nol mutla dan dineri lambang l0

. ,adi!

D%.%E

Persamaan di atas dikenal sebagai persamaan #ir$hhoff.

Persamaaan ini hanya merupakan hampiran!dan dibatasi oleh

persyaratan bah?a tekanannya rendah dan uap jenuh berkelakuan seperti

gas ideal.

6. Tetaan tekanan3ua

,ika uap yang berada dalam kesetimbangan dengan at padat

berkelakuan seperti gas ideal!dan jika @olume at padatnya bisa diabaikan

dibandingkan dengan uap!persamaan 5lapeyron menjadi

dP

P =

ls

RT 2 dT .

ls=∫0

T

c p$ $ $

dT −∫0

T

c p$

dT + l0


33/56

,ika!di samping anggapan itu!kita andaikan juga bah?a tekanan

uapnya sangat ke$il!maka persamaan #ir$hhoff bisa dipakai jadi!

ls=l0+∫0

T

c p$ $$

dT −∫0

T

c p$

dT .

#apasitas kalor molar gas ideal dapat digambarkan sebagai jumlah suku

tetap dan suku yang merupakan fungsi dasi temperatur. ,adi!

c p$$ $ =c0

$ $ $ +c i$ $$

, D%.%%E

"engan c0$ $ $

sama dengan5

2 R untuk semua gas monoatom dan

7

2 R untuk semua gas d?iatom!ke$uali hidrogen. 'aktor c i

$$ $

ditimbulkan oleh derajat kebebasan internal dari uapJ faktor itu mempunyai

sifat mendekato nol dengan $epat ketika T mendekati nol bila gas itu

ekaatom. Persamaan #ir$hhoff bisa ditulis

ls=l0+c0$ $ $ +∫

0

T

c i$ $ $

dT −∫0

T

c p$

dT ;

"an setelah menyulihkan ke dalam persamaan 5lapeyron!kita dapatkan

dP

P =

l0

RT 2

dT + c 0

$$ $

RT

∫0

$ $ $

c i$ $ $

dT

RT 2

dT −∫0

T

c p$

dT

RT 2

dT .

"engan mengintegrasi persamaan iniakhirnya kita dapatkan

¿ P=−l0 RT

+c0

$ $ $

R ∈T +

1

R∫0

T ∫0

T

c i$ $ $

dT

T 2

dT − 1

R∫0

T ∫0

T

c p$

dT

T 2

dT + i , D%.%(E

"engan i menyatakan tetapan integrasi. 2ubungan ini tidak

ketat!tetapi $ukup tepat untuk dipakai sehubungan dengan pengukuran

tekanan uap at padat se$ara per$obaan. Pengukuran seperti itu biasanya


34/56

disertai galat yang jauh lebih besar daripada yang timbul karena

pengandaian penyederhanaan yang dimasukkan dalam penurunan ini.

,ika uap itu dalam keseimbangan dengan at padat ekaatom! c0$$ $

mempunyai harga5

2 R dan c p

$$ $ nol. ,adi persamaan kur@a

sublimasinya menjadi

¿ P=

l0

RT +5

2∈T − 1

R∫0

T ∫0

T

c p$

dT

T 2 dT +i

D%.%*E

"engan mengubahnya menjadi logaritma biasa dan menyatakan tekanan

dalam atmosfer!kita dapatkan

log P= −l02,30 RT

+5

2 logT −

1

2,30 R∫0

T ∫0

T

c p$

dT

T 2

dT + i

2,30−log1.013.250.

"ua suku yang terakhir dikenal sebagai tetapan teanan-uap pratis i$ .

,adi!

i$ =

i

2,30−log1.013.250

¿ i

2,30−6,0052.

Akhirnya! dengan menyatakan tekanan dalam milimeter!kita dapatkan

harga numerik

(!*1 H %;!% ,Fmol deg

4og 9: H (!88%!

"an dengan mengambil

)=

1

2,30 R∫0

T ∫0

T

c p$

dT

T 2 dT ,


35/56

Maka persamaannya menjadi

log P= −l019,1T

+5

2 logT −)+i $ +2,881.

)nilah bentuk yang paling berguna bagi fisika?an atau kimia?an yang

bekerja di laboratorium.

Persamaan sublimasi dipakai menurut dua $ara

%. 3ntuk mendapatkan pengukuran melalui per$obaan tetapan

tekanan-uap i$ yang akan dibandingkan dengan perhitungan

teori dari i$ J dan

%E 3ntuk menghitung tekanan uap suatu at pada temperatur yang P-

nya terlalu ke$il untuk diukur.

"alam kedua hal itu! integral & harus di $ari berdasarkan pengukuran

melalui per$obaan dari c p$

atau harga se$ara teori c p$

. Supaya hal ini

bisa dilakukan! c p$

harus dirajah terhadap T dari nol mutlak sampai

temperatur tinggi yang diperlukan. 4uas di ba?ah kur@a pada berbagai

harga T didapatkan dengan integrasi numerik dan dengan demikian

@ariasi temperatur dari ∫c p$ dT bisa diperoleh. Sekarang harga inidibagi dengan T

2 dan di rajah paga grafik yang lain terhadap T. 4uas

diba?ah kur@a yang baru ini! pada berbagai harga T yang

tersedia!menunjukkan @ariasi & terhadap temperatur.,ika terdapat pengukuran tekanan uap untuk selang temperatur yang

lebar!harga numerik dari log P−5

2 logT +) bisa dirajah terhadap %FT.

#arena

log P−5

2 logT +)=

−l019,1

1

T +i $ +2,881,

Maka grafik yang dihasilkan merupakan garis lurus dengan kemiringan

¿− l019,1

, dan perpotongannya ¿ i$ +2,881.


36/56

Ta(el 19.? Data untuk menentukan i$ ka+m*um

T!# 4og P 5

2log T & log P−

5

2 logT +) %FT

*:*877

;7

- 9!77

- :!9

- !8

- 7!%9

- (!8:

- %!99

- !;;

:!*8

:!7

:!

:!:*

:!9

:!8

:!;7

%!8(

%!88

%!;7

(!8

(!(

(!*(

(!7%

- %(!

- %%!%7

- %!*:

- 8!9(

- 9!7%

- :!*

- !(

!(98

!(:*

!(

!(((

!(

!%8(

!%:8


37/56

'am(ar 19.11 'ra)*k untuk menetukan tetaan tekanan ua ka+m*um

"ata untuk kadmium terdaftar dalam tabel %.. pengukuran

tekanan uap dilakukan oleh /gerton dan 1aleigh! dan pengukuran oleh

4ange dan Simon. "ari grafik yang ditunjukkan dalam gambar %.%%! l

didapatkan sama dengan %%( #jFmol dan iꞌ sama dengan %..

?. Pengukuran Tekanan Ua

Penentuan kalor sublimasi pada nol mutlak l dan tetapan uap i ꞌ

memerlukan pengukuran tekanan uap at padat yang teliti. 5ara yang

paling mudah untuk menentukan kalor penguapan suatu at $air juga

memerlukan pengukuran tekanan uap. #ita tinjau beberapa metode yang

biasa dipakai


38/56

%. Metode statik&ila tekanan uap ada dalam selang antara %-* sampai %* mm 2g

D%-% sampai % PaE! benjana yang berisi at padat atau at $air

dihubungkan dengan manometer kolom $airan! dan tekanannya

bisa diba$a langsung. Metode statik biasanya $ukup memadai

untuk at $air! tetapi seringkali sedikit gunanya untuk mengukur

tekanan uap at padat bertitik lebur tinggi.(. Metode penguapan 4angmuir

6at padat yang tekanan uapnya akan diukur harus ditimbang

dengan hati-hati! juga luas permukaannya. 6at itu diletakkan dalam

suatu ruang hampa dan temperaturnya dinaikkan sekehendak kita.

6at akan menguap dengan laju tetap! dan uapnya disedot.

"iandaikan laju penguapan sama dengan laju molekul menumbuk

at padat jika terjadi kesetimbangan antara padatan dan uap. 4aju

ini sama dengan P F √ 2* m+T ; sehingga laju kehilangan massa

per satuan luas * F + ialah M

(

= P

√ m

2*RT

atau P= M

(

√2*RT

m"engan m menyatakan berat molekul. Metode ini sangat berguna

bila at itu berupa ka?at yang titik leburnya tinggi.*. Metode efusi #nudsen

Metode ini merupakan @ariasi dari metode 4angmuir! berat dan luas

permukaan at padatnya tidak terlalu diukur. Sebagai gantinya! at

yang sedang menguap dile?atkan melalui suatu bukaan yang

diketahui luasnya! kemudian dikondensasikan dalam suatu

perangkap yang dingin. Pengukuran massa uap yang

terkondensasikan setelah sutu selang ?aktu tertentu menghasilkan

kunatitas *.

#ebergantungan penuh tekanan uap pada temperatur memerlukan

suatu rumus dengan empat tetapan yang bisa diatur. Salah satu rumus

yang diusulkan oleh Nesmeyano@


39/56

P= (−)

T +CT +¿ logT

log ¿

D%.%7E

0ambar yang dilukiskan dalam gambar %.%( menunjukkan bah?a

l0% 3

5 (cv

β )0 D%.%E

Ta(el 19. 2asil bagi antara kapasitor kalor dengan ktermuaian dan kalor

sublimasi logam [ (cv / β )0 diperoleh 1. #. #irbyJ l didapatkan oleh A. N.NesmeyanR

'am(ar 19.12 #alor sublimasi pada nol mutlak berbanding lurus dengan

(c

v/ β

)0


40/56

. PERMU#AAN TERM$DINAMI#A

#eadaan kesetimbangan sembarang at termampatkan sederhana

dapat dinyatakan dalam permukaan segiempat! ruang tiga dimensi yang

disebut permukaan termodinamik.

(.% "iagram 'ase

0ambar %%. "iagram p-T untuk at murni


41/56

"isebut digram fase karena ketiga fase dipisahkan satu sama lain

oleh tiga garis.

%. 0aris sublimasi DsublimationE menyatakan kesetimbangan antara fase

padat dan fase uap.

(. 0aris penguapan D@aporationE menyatakan kesetimbangan antara

fase $air dan uap.

*. 0aris peleburan DmeltingE menyatakan kesetimbangan fase padat dan

fase $air.

"an hanya pada satu titik dimana fase padat! fase $air! dan uap

berada dalam kesetimbangan yaitu pada titik tripel Dtriple pointE. 3jung

garis uap adalah titik kritis! sebab tidak ada pembedaan antara fasa $air

dan fasa uap di atas titik kritis.

a. "ata Titik Tripel

Nama 6at TD#Ep

Dmm2gEp DPaE

2elium-7 (!%%9 *9!99 *

2idrogen %*!;9 (!8 97

Neon (7!: *(7 7*!(

+ksigen 7!*: %!%7 %(

Nitrogen :*!% ;7 %( Amoniak %;!7 7!9 :9

"ioksid

belerang%;9!:8 %!(: %:9!

"ioksid

karbon(%:! *88 %9

Air (9*!%: 7!8 :%%


42/56

>. PERSAMAAN LAUSIUS LAPER$N

Persamaan 5lausius 5lapeyron merupakan sebuah hubungan yang

penting mengenai hubungan tekanan! suhu! perubahan entalpi! dan

@olume jenis yang dihubungkan dengan perubahan fase. Terdapat

beberapa sifat termodinamik yang tidak dapat diukur se$ara langsung

$ontohnya adalah perubahan entalpi. Menurut persamaan 5lausius!

perubahan entalpi dapat dihitung berdasarkan pada pengukuran tekanan!

suhu! dan @olume jenis. Persamaan 5lausius 5lapeyron se$ara mudah

dapat diturunkan dari persamaan MaI?ell untuk dua fase dalaGm

kesetimbangan.

2ubungan persamaan MaI?ell

( ∂ p∂T )v=( ∂ s

∂ v )T

6at murni berubah dari keadaan $airan jenuh ke keadaan uap jenuh berlangsung pada suhu konstan karena kalor yang diserap

digunakan untuk berubah fase! tidak untuk menaikkan suhu. Tekanan dan

suhu tidak bergantung pada @olume pada daerah jenuh! maka dapat

dituliskan

( ∂ p∂T )v=∂ p

∂T

"ari hukum pertama untuk at yang mengalami perubahan fase!

-=∆−/

¿g−f + p (v g−v f )

¿&g−& f =& fg

#alor yang diserap per satuan massa pada tekanan konstan sama

dengan!

0=Tsfg

"an


43/56

s fg=& fg

T

( ∂ s∂ v )T =sg−sf vg−v f

=sfg

&fg

"ari hubungan-hubungan di atas! didapat suatu persamaan 5lausius

5lapeyron

v

T (¿¿ g−v f )= &fg

T vfg

dP

dT =

s g−sf v g−vf =

s fg

v fg dan

dP

dT =

&fg

¿

Persamaan di atas disebut persamaan 5lausius 5lapeyron yang

menyatakan kemiringan garis kesetimbangan dalam digram p-T. ,adi hfg

dapat ditentukan dari kemiringan kur@a tekanan uap dan @olume jenis

$airan jenuh dan uap jenuh pda suhu yang ditentukan. Terdapat beberapa

perubahan fase berbeda yang dapat terjadi pada suhu dan tekanan

konstan. ,ika dua fase ditandai dengan superskrip dan K! kita dapat

menuliskan persamaan 5lausius 5lapeyron dalam bentuk umum

dP

dT =

s$ $ −s$

v$ $ −v$

dandP

dT =

&$ $ −& $

T (v $$ −v $ )

,adi untuk perubahan keadaan at murni dari keadaan padatan jenuh ke

keadaan $airan jenuh yng berlangsung pada suhu konstan! dapatdituliskan

v

T (¿¿ f −vs)= & sf

T vsf

dP

dT =

&sf ¿

@. Peneraan Persamaan laus*us lae8r-n +alam F*s*ka


44/56

1udolf 5lausius adalah orang yang pertama yang men$etuskan

hukum kedua termodinamika. Persamaan $lausius $lapeyron yang mun$ul

menjelaskan hubungan antara tekanan dan suhu di dua tahapan yang

substansi yang berada dalam keseimbangan. Persamaan ini menjelaskan

sebagai entropy kuantitas yang lain tetap selama perubahan @olume dan

suhu dalam siklus 5arnot sebagai a?al sebagai %8 kertas! tetapi ia

tidak nama ini konsep penting pada ?aktu itu. Masih tanpa konsep nama

5lausius dirumuskan! dalam sebuah ri?ayat dari %87! dengan dasar dari

teori konsep pengukuran transformasi persamaan derajatnya ia kemudian

disebut entropy. "alam sebuah karya yang diterbitkan dalam konsep %8:

adalah nama yang jelas untuk pertama kalinya. "alam makalah %8:

5lausius menyatakan Pertama dan #edua hukum termodinamika dalam

formulir berikut

,. /nergi dari semesta adalah konstan.

. /ntropy dari semesta $enderung maksimal.

1udolf 5lausius menyatakan dalam makalah nya yang berjudul

ber be/e"ende 'raft der 01rme pada %8 'ebruari %8 dan diterbitkan

di +nnalen der Ph%si yang digunakan sebagai suatu properti dari sistem!

entropi! dimana ini dapat digunakan dalam menentukan apakah hukum

kedua termodinamika dilanggar dalam situasi tertentu. &erikut merupakan

pernyataan $lausius

2 adalah tida mun"in untu membuat suatu alat %an" beroperasi

berdasaran suatu silus %an" efe satu-satun%a adalah perpindahan

alor dari suatu benda %an" lebih din"in e benda %an" panas3.

Pernyataan tersebut berlaku untuk sebuah refrigator Datau sebuah pompa

kalorE. "inyatakan bah?a adalah tidak mungkin untuk membuat sebuah

refrigator yang memindahkan energi dari benda yang lebih dingin ke

benda yang lebih panas tanpa adanya masukan usaha.


45/56

?.1 P-ma #al-r 0Heat Pum

Heat pump atau pompa kalor adalah suatu sistem yang dapat

menyerap kalor dari suatu tempat kemudian membuangnya di tempat lain.

Pompa kalor dapat digunakan sebagai pendingin jika memanfaatkan sisi

penyerapan kalor ! inilah yang disebut dengan sistem refrigerasi.

Sebaliknya pompa kalor juga dapat digunakan sebagai pemanas jika

memanfaatkan sisi pembuangan kalornya. 5ontoh sederhana pompa

kalor adalah air conditioner . +ir conditioner menyerap kalor yang ada

diruangan kemudian membuangnya ke luar ruangan.

3ntuk memahami prinsip pompa kalor maka analogi pompa air

dapat digunakan karena se$ara prinsip keduanya tidak berbeda. Air

se$ara alami akan mengalir dari tempat yang tinggi ke tempat yang

rendah. 3ntuk mengalirkan air dari tempat yang rendah ke tempat yang

tinggi dibutuhkan suatu alat DpompaE dan usahaFkerjaFenergi dari luar

DmekanikE. "engan menggunakan pompa maka air yang ada di tempat

yang lebih dapat dihisap dan dikeluarkan di tempat yang lebih tinggi.

Pada kalor pun terjadi hal yang sama. #alor se$ara alami

mengalirFberpindah dari temperatur yang tinggi ke temperatur yang

rendah. Tinggi atau rendahnya temperatur merupakan salah satu indikasi

besarnya energi kalor yang dimiliki suatu at. Semakin tinggi temperatur

maka semakin tinggi energi kalornya. 3ntuk memindahkan kalor dari

tempat yang temperaturnya lebih rendah maka dibutuhkan sistem pompa

kalor. Seperti halnya pompa air! untuk menyerap kalor dan membuangkalor dibutuhkan kerjaFusahaFenergi dari luar. &iasanya proses pompa

kalor digambarkan seperti diba?ah ini.


46/56

'am(ar 12. Pr-ses P-ma #al-r

"imana Ts adalah suhu lingkungan! T$ adalah temperatur pada sisi

penyerapan kalor! Th adalah temperatur pada sisi pembuangan kalor! W

adalah kerja dari luar! $ adalah kalor yang terserap dan h adalah kalor

yang dibuang.

Pada saat tidak ada W yang bekerja maka temperatur Ts! T$! danTh adalah sama DTsHThHT$E dan tidak ada proses perpindahan kalor

diantaranya. &egitu ada kerja W dijalankan maka T$ menjadi lebih rendah

dibandingkan dengan Ts. +leh karena itu energi kalor yang berada di

sekitarnya terserap oleh sistem ini. #alor yang terserap ini dibuang ke sisi

h sehingga temperatur Th menjadi lebih besar dari Ts. Pada keadaan ini

maka T$ O Ts O Th. 2ubungan antara kalor yang diserap dan dibuang

mengikuti persamaanh H $ W

3ntuk menunjukkan sebarapa baik performa dari suatu pompa

kalor! maka dikenal dengan istilah 5+P D5oeffi$ient of Performan$eE atau

dalam bahasa )ndonesia disebut dengan koefisien kinerja. 5+P ini

merupakan perbandingan antara output yang digunakan dengan input

yang diberikan. Pada pompa kalor! input adalah kerja dan output dapat

merupakan penyerapan kalor atau pembuangan kalor. ,ika pompa kalor


47/56

digunakan sebagai pendingin D1efrigerasiE maka output adalah

penyerapan kalor. Sebaliknya! jika pompa kalor digunakan sebagai

pemanas DheaterE maka outputnya adalah pembuangan kalor. +leh

karena itu 5+P diekspresikan dengan

3 Untuk en+*ng*n

5+P H $ F W

oleh karena W H h $

maka

5+P H - c- & 1 - c

3 Untuk Pemanas

5+P H h F W

Atau 5+P H- &

- & 1 - c

"ua jenis sistem pompa kalor yang sudah di komersilkan se$ara

luas adalah sistem refrigerasi kompresi uap DS1#3E dan thermoele$tri$.

S1#3 merupakan sistem yang paling banyak ditemui di dalam kehidupan

sehari-hari! sepeti Air $onditioner DA5E dan lemari es. #eunggulan dari

S1#3 adalah 5+Pnya yang sangat tinggi. 2al inilah yang menyebabkan

teknologi ini belum bisa digantikan oleh teknolgi lain. Walaupun demikian!

S1#3 membutuhkan banyak komponen dan kurang bisa diterapkan di

tempat yang ke$il.

,enis pompa kalor thermoele$tri$ sering dijumpai sebagai pendingin

elektronik seperti prosesor. #eunggulan teknologi ini adalah ukurannya

yang ke$il ! sangat mudah diterapkan dan $ukup di$atu dengan listrik

searah D"5E. Namun 5+Pnya masih sangat ke$il dibandingkan dengan

S1#3.

Sebenarnya ada beberapa jenis lain yang dapat digunakan sebagai

sistem pompa kalor namun sulit untuk dijumpai dalam kehidupan sehari-


48/56

hari! yaitu sistem refrigerasi absorpsi! thermoa$ousti$! thermomagneti$!

dan tabung @orteI.

?.1.1 Mes*n Re)r*geras* S*klus A(s-rs*

Mesin refrigrasi siklus absorpsi sedikit berbeda dengan mesin

refrigerasi siklus kompresi uap. #omponen sistem seperti kondensor! alat

ekspansi dan e@aporator juga digunakan pada mesin refrigerasi absorpsi.

Sedangkan kompresor pada sistem refrigerasi siklus kompresi uap diganti

fungsinya oleh generator! absorber! dan pompa.

'am(ar 1&. S*klus Mes*n Re)r*geras* S*klus A(s-rs*

Ada beberapa jenis dari sistem refrigerasi siklus absorpsi

diantaranya

U5ontinuous absorption system

-5ontinuous absorption system ?ith pump

-5ontinuous absorption system ?ith out pump

U)ntermitten absorption system

Sebagai sumber energi penggerak sistem adalah energi panas

DkalorE sehingga sering disebut heat-operated $y$le. Sebagai sumber


49/56

energi panas didapatkan dari gas alam! kerosin! elemen pemanas listrik!

uap panas! gas panas buang dan sumber-sumber panas yang lainnya.

Aplikasi dari sistem ini dapat diterapkan pada refrigerasi domestik maupun

pada sistem refrigerasi komersial dan juga pada pengkondisian udara.

Se$ara umum fluida kerja yang digunakan pada sistem refrigerasi siklus

absorpsi adalah refrigeran dua substansi berupa $ampuran tak bereaksi

sepertiJ

- amonia-air DN2* 2(+E

- air-lithium bromide D2(+ 4i&rE! dan lain sebagainya

Pada sistem Air-Amonia! air berfungsi sebagai absorbent dan

amonia berfungsi sebagai refrigeran. Sedangkan pada sistem 4itium

bromida-air! litium bromida berfungsi sebagai absorben dan air sebagai

refrigerannya. 5ontinuous Absorption System ?ith Pump.

Mesin refrigerasi siklus absorpsi dengan pompa sering disebut dengan

siklus refrigerasi absorpsi dua tekanan. Pada siklus ini ada sisi tekanan

tinggi dan tekanan rendah yang dibatasi oleh katup ekspansi dan katup

throtle yang terdapat antara absorber dan generator.

#omponen utama dari siklus refrigerasi absorpsi dua tekanan

adalahJ generator! absorber! pompa! kondensor! e@aporator! alat ekspansi!

dan katup throtle. Adapun $ara kerjanya adalah sebagai berikut

5ampuran kuat refrigeran-absorben Dstrong solutionE dipanaskan di dalamgenerator sehingga refrigeran menguap dan terpisah dari absorbennya.

3ap refrigeran selanjutnya dimurnikan dalam re$tifier dengan

mendinginkannya sehingga absorben yang ikut menguap akan

mengembun dan mengalir kembali ke generator.3ap refrigeran murni

kemudian mengalir melalui kondensor. "i kondensor refrigeran

didinginkan sehingga refrigeran mengalami proses pengembunan.

#ondensatnya yang sudah berupa ?ujud $air yang keluar dari kondensor!


50/56

kemudian dialirkan menuju alat ekspansi. Pada alat espansi refrigeran

diekspansikan sehingga tekanannya menjadi rendah Dtekanan e@aporatorE

dan disertai dengan turunnya temperatur refrigeran. "i dalam e@aporator

refrigeran mengalami proses penguapan dengan menyerap panas yang

ada disekeliling e@aporator. Proses absorpsi uap refrigeran oleh

absorbennya berlangsung di dalam absorber dengan $ara melepas kalor!

dimana absorben yang datang dari generator sudah berupa larutan lemah

D?eak solutionE sehingga bisa menyerap uap refrigeran yang datang dari

e@aporator. "engan terjadinya penyerapan uap refrigeran oleh absorben!

maka di absorber terbentuklah larutan kuat Dstrong solutionE yang

selanjutnya akan dialirkan lagi menuju generator dengan menggunakan

pompa. "emikian proses ini berlagsung se$ara terus menerus.

?.1.2 Ta(ung -rte5

Tabung @orteI ditemukan oleh 0.,. 1angGue pada tahun %;*% yang

kemudian dikembangkan lebih lanjut oleh Prof. 2ils$h. Tabung @orteI

adalah salah satu alat yang dapat dipakai untuk pendingin. Sekaligus

pemanas. Sumber energinya adalah udara yang terkompresiFbertekanan.

Tabung @orteI merubah udara bertekanan menjadi ( aliran udara yaitu

aliran udara panas dan aliran udara dingin. Aliran udara panas dan dingin

yang dikeluarjkan tabung @orteI dapat ber@ariasi. Sebagai $ontoh udara

masukkan pada % psi dan (9 V5 dapat diatur untuk mendinginkan

sebagian udara menjadi -*7 V5 dan memanaskan sisanya hingga menjadi

** V5. % atm H %7!9 psi H %%!*( kPa % bar H % kPa.


51/56

'am(ar 16. Ta(ung -rte5

Nole dapat berjenis kon@ergen! di@ergen atau kon@ergen-

di@ergen! tergantung dari kebutuhan. Suatu nole yang efisien adalah

yang mempunyai ke$epatan yang tinggi dan seke$il mungkin rugi-rugi

masukan. 5hamber adalah bagian dari nole dan memberi masukkan

udara se$ara tangensial terhadap sisi udara panas. "iafragma adalah

potongan silinder tipis dan mempunyai lubang dengan diameter yang

spesifik ditengahnya. #atup menjaga laju aliran udara pada sisi panas dan juga mengontrol jumlahh udara panas yang keluar dari tabung @orteI

3dara terkompresi dile?atkan melalui nole sehingga udara berekspansi

pada ke$epatan tinggi aliran udara pusar kemudian dihasilkan di $hamber

dan udara bergerak se$ara spiral sepanjang sisi tabung aliran tersebut

terhambat oleh katup. #etik tekanan udara didekat katup dibuat lebih

tinggi daripada tekanan udara luar dengan menutup katup sebagian! maka

suatu laju aliran udara balik akan mengalir pada bagian sumbu tabung

mulai dari sisi tekanan tinggi ke sisi tekanan rendah. Selama proses ini!

perpindahan energi berlangsung antara udara balik dan udara maju!

sehingga aliran udara balik yang terdapat di sumbu tabung mempunyai

temperature jauh lebih rendah dari temperature inlet! sedangkan aliran

udara maju akan memanas dan bertemperatur jauh lebih tinggi dari

temperature inlet. Aliran udara inlet akan keluar melalui lubang diafragma

ke sisi udara dingin! sedangkan aliran udara panas akan keluar melalui


52/56

bukaan katup. "engan mengatur bukaan katup! kuantitas dan temperature

udara dingin dapat di @ariasi.

. Lat*han s-al +an Pem(ahasan.

Prediksikan nilai entalpi penguapan untuk air pada (5 dengan

mengasumsikan uap sebagai gas ideal. 2itunglah persentase tingkat

kesalahannya.

Penyelesaian

Pada (5 dan %!7 kPa! @olume spesifik dari uap jenuh adalah dalam

aproksimasi gas ideal! @g H 1TFP H D!7:(ED79*EF% H !%7: m*Fkg. 3ntuk

air $air densitasnya sekitar % kgFm* sehingga @f H !% m*Fkg Datau kita

dapat menggunakan @f dari tabel-tabel uapE. ,adi kita memperoleh

& fg=T v fg( ∂ P∂T )v ¿ (473) (0,1406−0,001 )

(1906−1254

210−190 ) ¿2153 +2 /+g

,ika dibandingkan dengan hfg H %;7% k,Fkg dari tabel-tabel uap!

persentase error adalah

#3343=2153−1941

1941 100=10,9

#esalahan ini disebabkan karena ketidak-akuratan dari nilai @g

19.S-al E4aluas* +an #un,*


53/56

,a?aban :!8 #.

(. Air yang membeku pada titik bekunya DTi ! Pi E mengisi penuh suatu

bajana baja. Temperaturnya diturunkan menjadi Tf pada @olume

tetap dengan tekanan Pf . 2itung y untuk i H C5!%%I % PaJ f H -

C5! !;8 I %9 PaJ KK H - :9 I %-: #-% J kKK H %(!( I %-%% PaJ @KKf @Kf

H -%!( I %-7 m*Fkg.

,a?aban :!9 X.

*. #ristal iodium memiliki berat atom %(9 kgFkmol dan kalor jenis

!%;9 k,Fkg.#. 3ap iodium dapat dianggap sebagai gas d?iatom

ideal dengan 5' tetap. Pada *% #!tekanan uapnya %! NFm( J

pada (;; # 7*! NFm(. 2itunglah kalor laten sublimasi

aE Pada * #

bE Pada temperatur nol mutlak

$E Pada ( #

,a?aban aE :*!: k,FmolJ bE :;! k,FmolJ $E :!7 k,Fmol.

7. #alor sublimasi seng pada :# diketahui sama dengan %*

k,Fmol. #apasitas kalor seng padat besarnya sedemikian sehingga

∫0

600

c p$

dT =13.800 J/mol, dan : # besarnya %!;:.

Tekanan uap seng : # besarnya 7!:9 I %-* mm 2g. Andaikan

uap seng dapat dianggap gas ideal!hitunglah

aE #alor sublimasi pada temperatur nol mutlak

bE Tetapan tekanan uap

,a?aban aE :*!: k,FmolJ bE %!(%.


54/56

. Tekanan uap amoniak padat dalam Pa memenuhi )n P H (9!;(

*97FT! dan tekanan uap amoniak $air memenuhi )n P H (7!*8

*:*FT.

aE berapakah temperatur titik tripelnysB

bE berapakah harga ketiga kalor-laten pada titik tripelB

,a?aban aE :*!: k,FmolJ bE lS3 H *%!( k,Fmol J l'3 H !8 k,Fmol J l


55/56

BAB III

PENUTUP

A. #ESIMPULAN

"alam proses pergantian fase terjadi tiga peristi?a yang terkenal

yaitu peleburan! penguapan! dan sublimasi. Adapun proses yang kurang

terkenal pun terjadi dalam proses pergantian fase misalnya perubahan

bentuk #ristal! dengan temperature dan tekanannya selalu tetap!

sedangkan entropi dan @olume nya berubah. Adapun dalamtermodinamika proses peleburan! penguapan! dan sublimasi telah

membahas lebih lanjut mengenai at yang lebih kompleks dari proses

pergantian fase yang sebelumnya sudah dikenal. Misalnya proses

peleburan yang membahas mengenai kalor lebur at padat yang

merupakan bahasan yang lebih kompleks dari proses pergantian fase

yang sudah jadi pengetahuan sebelumnya. "alam pergantian fase orde

pertama terdapat salah satu pernyataan yang setara yaitu terdapat

perubahan entropi dan @olum! dan turunan pertama fungsi gibbs beubah

se$ara taklamar. Apabila terdapat perubahan fase yang memenuhi

persyaratan dari pernyataan tersebut maka hal tersebut merupakan

pergantian fase orde pertama. Pergantian fase mengenai peleburan kalor!

penguapan dan sublimasi kalor pada suatu at merupakan bentuk

kompleks dari pergantian fase.

B. Saran

Penulis dapat menambahkan lagi materi Dmenambahkan rumusan

masalahE agar pengetahuan pemba$a menjadi lebih luas. Penulis juga

dapat memperbanyak lagi sumber F referensi! agar makalah yang akan

dibuat lebih lengkap lagi.


56/56

DAFTAR PUSTA#A

Mark W. 6emansky!Ph.". > 1i$hard 2. "ittman! Ph.". %;8:. 'alor dan

Termodinamia. &andung )T&!(99-*8

4e?is! 0ilbert Ne?ton dan Merle 1andall. %;:%. Thermodinamics.

&arkeley M$gra?-2ill &ook 5ompany! %%-%:

1osenberg! #lot. %;%:. $hemical Thermod%namics. Menlo Park The

&enjaminF 5ummings Publishing 5ompany )n$! %;:-%;9.

S$haum. (8. Termodinamika Teknik. ,akarta /rlangga

Makalah Perubahan Fase Zat dan Persamaan Clausius Clapeyron

Documents

Transcript of Makalah Perubahan Fase Zat dan Persamaan Clausius Clapeyron