Teknik Kimia Universitas Indonesia Makalah Pemicu I Sifat PVT 1 SIFAT PVT Problem 1 : Joni Pada problem 1, terdapat dua hal utama yang harus dijelaskan yaitu : - Penjelasan sifat PVT cairan dengan diagram fasa (Gambar 1) dan aturan Fasa Gibbs. - Hubungan air dalam gelas tertutup dengan steam table dan bagaimana mencari besaran-besaran termodinamika air dalam gelas tersebut serta harga besaran-besaran tersebut. Gambar 1. Diagram PVT Solusi Problem 1: A. Sifat PVT cairan Kelompok 6 Termodinamika Teknik Kimia
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Teknik Kimia Universitas Indonesia Makalah Pemicu ISifat PVT
1
SIFAT PVT
Problem 1 : Joni
Pada problem 1, terdapat dua hal utama yang harus dijelaskan yaitu :
- Penjelasan sifat PVT cairan dengan diagram fasa (Gambar 1) dan aturan Fasa
Gibbs.
- Hubungan air dalam gelas tertutup dengan steam table dan bagaimana mencari
besaran-besaran termodinamika air dalam gelas tersebut serta harga besaran-
besaran tersebut.
Gambar 1. Diagram PVT
Solusi Problem 1:
A. Sifat PVT cairan
Sebelum dapat menjelaskan sifat PVT dengan diagram PVT dan aturan fasa Gibbs,
terlebih dahulu perlu diketahui hal-hal yang berkaitan dengan diagram PVT dan aturan fasa
Gibbs.
Fasa Zat
Fasa adalah bagian sistem dengan komposisi sifat kimia dan sifat fisika sama, yang
terpisah dari bagian sistem lain oleh suatu bidang batas. Sedangkan fasa zat adalah bentuk
keadaan sebuah zat dimana fasa yang tersedia di alam adalah cairan, padatan dan uap. Fasa
zat dapat berubah dengan modifikasi suhu, tekanan dan volumenya. Misalnya air dengan fasa
cair pada suhu kamar akan berubah menjadi fasa uap pada suhu 100oC dan akan berubah
menjadi fasa padat pada suhu 0oC.
Kelompok 6 Termodinamika Teknik Kimia
Teknik Kimia Universitas Indonesia Makalah Pemicu ISifat PVT
2
Kondisi Jenuh
Kondisi jenuh adalah keadaan dimana campuran uap dan cairan dapat muncul
bersamaan pada suhu dan tekanan tertentu. Suhu ketika penguapan (mendidih) terjadi pada
tekanan tertentu dikatakan sebagai suhu jenuh atau titik didih. Tekanan ketika penguapan
(mendidih) terjadi pada suhu tertentu dikatakan sebagai tekanan jenuh. Pada air dengan suhu
100oC, tekanan jenuhnya adalah 1 atm. Air pada tekanan 1 atm, suhu jenuhnya adalah 100oC.
Kesetimbangan Fasa
Kesetimbangan fasa adalah keadaan dimana suatu zat sudah tidak mengalami
perubahan terhadap waktu. Contoh kesetimbangan dua fasa adalah kesetimbangan cair – uap,
cair – padat dan padat – uap. Pada H2O terjadi kesetimbangan tiga fasa yaitu air, uap dan es
pada suhu 0,01oC dan tekanan 0,00610 bar.
Perubahan Fasa
Perubahan fasa suatu zat terjadi karena adanya perubahan suhu dan atau tekanan.
Perubahan fasa padat – cair terjadi pada proses peleburan dan pembekuan, perubahan fasa
padat – uap terjadi pada proses sublimasi dan deposisi, sedangkan perubahan fasa cair – uap
terjadi pada proses penguapan dan pengembunan. Untuk lebih memahami perubahan fasa,
dapat dijelaskan dengan contoh perubahan fasa pada air berikut :
State 1, disebut sebagai subcooled liquid. Pada kondisi ini, penambahan panas
menaikkan suhu tapi tidak menyebabkan terjadinya penguapan .
State 2, disebut sebagai cairan jenuh (saturated liquid). Pada kondisi ini, fasa cairan
berubah. Penambahan panas dapat menyebabkan penguapan.
State 3. Disebut sebagai campuran cairan-uap jenuh (saturated liquid – vapor
mixture). Pada kondisi ini, cairan dan gas berada pada kesetimbangan. Penambahan
panas tidak menaikkan suhu, tetapi meningkatkan jumlah penguapan.
Kelompok 6 Termodinamika Teknik Kimia
Teknik Kimia Universitas Indonesia Makalah Pemicu ISifat PVT
3
State 4, pada kondisi ini campuran menjadi uap dan disebut sebagai uap (saturated
vapor). Pada kondisi ini, jika suhu diturunkan atau panas dikurangi, akan terjadi
pengembunan.
State 5, disebut sebagai superheated vapor. Penambahan panas akan memperbesar
suhu dan volume.
Gambar 2. Perubahan Fasa.
Variabel Ekstensif dan Intensif
Variabel Ekstensif adalah variabel yang harganya bergantung pada jumlah material
atau ukuran sistem, contohnya volume dan energi dalam. Variabel intensif adalah variabel
yang harganya tidak tergantung pada jumlah material atau dimensi sistem, contohnya adalah
suhu, tekanan, dan komposisi
Aturan Fasa Gibbs
Gibbs menyatakan bahwa untuk dapat menentukan besaran – besaran intensif sistem
dengan lengkap, sejumlah besaran intensif perlu diketahui atau ditentukan harganya. Besaran
intensif pada Aturan Fasa Gibbs adalah suhu (T), tekanan (P), komposisi fasa cair dan
komposisi fasa uap. Banyaknya besaran intensif yang perlu ditetapkan adalah derajat
kebebasan sistem. Jika suatu sistem yang berada pada kesetimbangan terdiri atas p fasa dan c
komponen maka derajat kebebasan sistem ( f ) diberikan dengan persamaan berikut :
f = c – p + 2
Derajat kebebasan suatu sistem adalah bilangan terkecil yang menunjukkan jumlah
variabel bebas (suhu, tekanan, konsentrasi komponen – komponen) yang harus diketahui
untuk menggambarkan keadaan sistem. Untuk zat murni, hanya diperlukan dua variabel
untuk menyatakan keadaan, yaitu P dan T, atau P dan V, atau T dan V. Nilai derajat
kebebasan untuk senyawa murni diberikan pada Tabel 1.
Kelompok 6 Termodinamika Teknik Kimia
Teknik Kimia Universitas Indonesia Makalah Pemicu ISifat PVT
4
Tabel 1. Derajat Kebebasan Senyawa Murni
Jumlah fasa Derajat kebebasan Besaran intensif yang diketahui atau ditentukan
1 2 P dan T
2 1 P atau T
3 0 Tidak ada
Sifat PVT cairan
Tekanan, volume dan suhu dapat menentukan fasa dari suatu zat. Fasa suatu zat dapat
berupa cair, gas dan padat yang diperlihatkan pada diagram fasa atau diagram PVT. Untuk
menjelaskan sifat PVT, diambil contoh diagram PVT dari zat murni misalnya air. Diagram
PVT dapat digambarkan dengan diagram T-V, P-V, dan P-T seperti yang dijelaskan berikut :
a. Diagram T-V air
Gambar 3. Diagram T-V air
Pada Gambar 3, terlihat bahwa kenaikan tekanan akan menyebabkan garis yang
menghubungkan keadaan cair jenuh (saturated liquid) dengan uap jenuh (saturated vapor)
menjadi semakin pendek. Pada tekanan tertentu yaitu 22,09 Mpa, daerah campuran cair-uap
jenuh ditunjukkan oleh satu titik, yang disebut sebagai titik kritis. Pada titik ini, properti zat
disebut sebagai properti kritis (suhu kritis ((Tcr), tekanan kritis (Pcr) dan volume spesifik kritis
(vcr)). Untuk air , Tcr = 374,14 °C , Pcr = 22,09 Mpa ,dan vcr = 0,003155 m3/kg. Jika titik-titik
pada keadaan cair jenuh dihubungkan akan diperoleh garis cair jenuh dan jika titik-titik pada
Kelompok 6 Termodinamika Teknik Kimia
Teknik Kimia Universitas Indonesia Makalah Pemicu ISifat PVT
5
keadaan uap jenuh dihubungkan maka diperoleh garis uap jenuh. Pertemuan kedua garis ini
disebut titik kritis.
Gambar 4. Diagram T-V air dan Garis Jenuh (Saturated Line).
b. Diagram P-V
Gambar 5. Diagram P-V
Diagram P-V dapat menjelaskan daerah fasa padat, fasa padat-cair dan padat-uap
jenuh. Pada beberapa zat, seperti air dapat mengembang saat dibekukan dan zat lainnya selain
air menyusut jiaka dibekukan, sehngga terdapat dua macam diagram P-V.
Kelompok 6 Termodinamika Teknik Kimia
Teknik Kimia Universitas Indonesia Makalah Pemicu ISifat PVT
6
Gambar 6. Diagram P-V zat yang menyusut jia dibekukan (kiri) dan mengembang jika dibekukan (kanan)
Pada kondisi tertentu air dapat berada sebagai fase padat, cair dan gas sekaligus.
Kondisi ini disebut sebagai kesetimbangan cair-padat-gas dan digambarkan dalam triple line.
Pada diagaram P-T, kondisi ini ditunjukkan oleh titik (triple point).
c. Diagram P-T
Gambar 7. Diagram P-T Air
Pada diagram fasa, terdapat tiga daerah yaitu, padat, cair dan gas. Kurva A-C
merupakan batas cair-gas, dan disebut sebagai kurva penguapan. Kurva A-C tersebut berakhir
pada titik C, yaitu titik kritis. Kordinat pada titik ini adalah tekanan kritis Pc dan suhu kritis
Tc, yang merupakan suhu dan tekanan tertinggi dimana zat murni dapat berada pada
kesetimbangan cair-uap. Garis A-D, kurva sublimasi memisahkan daerah padat dan gas.
Kelompok 6 Termodinamika Teknik Kimia
A
C
B
D
Teknik Kimia Universitas Indonesia Makalah Pemicu ISifat PVT
7
Garis A-B, memisahkan daerah padat dan cair. Ketiga kurva ini bertemu di triple point,
dimana semua fasa (cair, padat, gas) berada pada kesetimbangan.
Fasa dikatakan fasa cair jika dapat mengalami penguapan dengan adanya penurunan
tekanan pada suhu konstan. Hal ini berarti volume dari cairan akan bertambah jika tekanan
diturunkan. Fasa dikatakan gas jika dapat dikondensasikan dengan adanya penurunan suhu
pada tekanan konstan. Untuk padatan, volumenya tidak dipengaruhi oleh perubahan suhu dan
tekanan, karena zat padat memiliki gaya tarik-menarik yang kuat antar molekulnya sehingga
pada permukaan diagram untuk zat padat di atas sangat curam dibandingkan dengan zat cair
dan gas.
Jika dihubungkan dengan aturan fasa Gibbs, senyawa murni pada daerah satu fasa, p
fasa dan c komponen masing – masing berharga satu dan dari Aturan Fasa Gibbs diketahui f
berharga dua. Derajat kebebasan dua berarti bahwa dua besaran intensif (T dan P) perlu
diketahui harganya agar besaran intensif lainnya seperti volum spesifik atau volum molar
dapat ditentukan.
Senyawa murni yang berada pada kurva kesetimbangan (padat – cair, padat – uap atau
cair – uap) memiliki derajat kebebasan satu yang artinya hanya satu peubah yang perlu
diketahui untuk dapat menentukan keadaan sistem. Misalnya pada tekanan 1 atm atau 1,013
bar air dan uap air yang berada pada kesetimbangan fasa hanya dapat ditemui pada suhu 100 oC.
Kesetimbangan dua fasa yang ditunjukkan oleh kurva – kurva kesetimbangan cair –
uap, cair – padat dan padat – uap bertemu di titik tripel (triple point). Pada titik tripel harga
derajat kebebasan adalah nol karena kesetimbangan fasa antara air, uap air dan es hanya
terjadi pada kondisi (suhu, tekanan dan densitas) tertentu.
B. Hubungan Air dalam Gelas Tertutup dengan Steam Table
Tabel uap (steam table) merupakan tabel yang memuat besaran-besaran tertertu dari
air yang dapat digunakan untuk mengetahui data PVT air. Besaran-besaran yang dimaksud
adalah volume spesifik (v),entalpi spesifik (h), dan entropi spesifik (s). Tabel uap sendiri
terbagi atas dua bagian, yaitu tabel uap jenuh (saturated steam) dan tabel uap lewat jenuh
(superheated steam).
Tabel kukus mendeskripsikan sifat-sifat termodinamika dalam keadaan saturated
maupun superheated yang pada kenyataannya suatu zat murni mengalami proses perubahan
fasa yang meliputi compressed Liquid atau subcooled, saturated liquid, saturated vapor,
iquid-vapor mixture, dan superheated.
Kelompok 6 Termodinamika Teknik Kimia
Teknik Kimia Universitas Indonesia Makalah Pemicu ISifat PVT
8
Menurut Gibbs, jika kita mengetahui satu besaran intensif pada keadaan jenuh, maka
besaran lainnya akan dapat ditentukan menggunakan tabel. Sebagai contoh, pada air dalam
gelas tertutup jika diketahui tekanannya adalah 0,1 Mpa, maka dengan menggunakan tabel
kukus dapat diketahui besaran-besaran lainnya seperti suhu, volume spesifik, entalpi, entropi.
Dalam hal ini, tabel kukus yang digunakan adalah tabel kukus saturated water-vapor karena
pada wadah tertutup, cairan akan mengalami penguapan sampai keadaaan wadah tersebut
jenuh sehingga di dalam gelas terjadi kesetimbangan antara cair-uap.
Penentuan besaran-besaran termodinamika dengan steam table
Pada kondisi fasa cair-uap jenuh, jika diketahui campuran air-uap tekanannya adalah
0,004 Mpa, dengan menggunakan steam table saturated vapor-liquid dapat diketahui
besaran lainnya dengan cara pembacaan tabel sebagai berikut:
Gambar 8. Tabel uap jenuh (Tekanan)
Berarti, pada tekanan tersebut, suhunya adalah 28,96 ºC. Jika kondisi fasnya adalah
cair jenuh maka volume spesifiknya =VL, entalpi = hL, entropi = SL dan jika kondisinya
adalah uap jenuh maka volume spesifiknya = Vv, entalpi = hv, entropi = Sv. Jika kondisinya
adalah campuran cair-uap jenuh, maka volume spesifik, entalpi dan emtropi dihitung
dengan cara berikut:
a. Volume spesifik liquid-vapor (VLV)= (1-x) VL + x VV ; dengan x =fraksi uap