Tabla de Contenidos
Diagram fase adalah representasi grafis dari berbagai keadaan kesetimbangan termodinamika suatu sistem dalam kondisi yang berbeda. Jenis grafik ini memungkinkan kita untuk memprediksi, antara lain, fase yang ada dalam kondisi tertentu, serta proporsi di mana setiap fase ditemukan dan komposisinya, dalam kasus campuran biner atau campuran yang lebih kompleks .
Jenis diagram fase
Diagram fase komponen tunggal (diagram zat murni)
Diagram ini menunjukkan fase atau keadaan agregasi yang berbeda di mana zat murni dapat ditemukan pada nilai suhu dan tekanan yang berbeda. Diagram fasa ini dapat menjadi sangat kompleks, terutama dalam fasa padat, di mana kondisi suhu dan tekanan dapat mendukung pembentukan beberapa struktur kristal yang berbeda dengan sifat yang sangat berbeda .
Bentuk khas diagram fase untuk zat murni ditunjukkan di bawah ini:
Dua contoh diagram fase tipikal dari zat murni adalah elemen karbon dan helium, yang ditunjukkan pada gambar berikut. Karbon , bukan logam , dapat terjadi pada alotrop padat yang berbeda (grafit dan intan); Itu juga dapat terjadi dalam keadaan cair dan gas. Dalam kasus helium, ini adalah gas yang tidak mudah dicairkan.
Diagram fase sistem biner (diagram dua komponen)
Diagram fase biner terdiri dari representasi grafis dari fase yang terbentuk pada temperatur yang berbeda atau pada tekanan yang berbeda dalam sistem yang terdiri dari dua komponen (sistem biner) sebagai fungsi dari komposisi total sistem (biasanya direpresentasikan pada sumbu X) .
Tergantung pada komponen tertentu dari campuran, sistem ini dapat menimbulkan berbagai jenis diagram fase. Dalam beberapa diagram ini fase terpisah dari komponen murni terbentuk dalam keadaan agregasi yang berbeda (padat, cair atau gas), sedangkan dalam kasus lain fase homogen dari kedua komponen terbentuk.
Dua diagram fase biner ditunjukkan di bawah ini. Yang pertama adalah contoh sistem biner yang membentuk campuran eutektik, sedangkan yang kedua tidak.
Diagram fase sistem ternary (diagram tiga komponen)
Dalam diagram ini segitiga digunakan untuk mewakili, pada setiap sisi, komposisi masing-masing dari tiga sistem biner yang dapat dibentuk di antara tiga komponen. Setiap titik di dalam segitiga mewakili sistem terner dengan komposisi tertentu.
Dalam kasus ini, konsentrasi setiap spesies harus dinyatakan, baik sebagai fraksi mol atau fraksi massa (untuk memastikan bahwa semua fraksi berjumlah 1) atau sebagai persentase (untuk memastikan bahwa konsentrasi total selalu berjumlah 100%). ).
Untuk setiap kemungkinan komposisi sistem, pada suhu dan tekanan tetap, fasa atau fasa yang ada ditunjukkan.
Konstruksi diagram fase
Proses konstruksi diagram fase dapat dilakukan baik secara teoritis maupun dari informasi eksperimental. Dalam kasus pertama, persamaan termodinamika digunakan untuk menghitung keadaan kesetimbangan suatu sistem (baik itu zat murni, campuran biner, atau sistem terner) bergantung pada sifat sistem dan komposisinya. Kecuali untuk sistem yang relatif sederhana, pendekatan ini sangat kompleks dan sulit dilakukan.
Dari sudut pandang eksperimental, prosedur yang digunakan untuk membangun diagram fase biasanya serupa, terlepas dari jenis diagram fase yang dimaksud. Dalam kebanyakan kasus, yang dicari adalah memulai dari suatu sistem dalam keadaan awal yang didefinisikan dengan baik dari sudut pandang komposisi dan sifat-sifat lainnya, dan diamati dengan cara tertentu (dengan mata telanjang atau melalui teknik instrumental). ) fase atau fase apa yang ada. Kemudian secara bertahap memvariasikan beberapa sifat sistem, menjaga semua sifat lainnya tetap konstan, mencatat setiap perubahan keadaan dan kondisi di mana perubahan keadaan ini terjadi.
Konstruksi diagram zat murni
Dalam kasus zat murni , tekanan biasanya diatur dan kemudian suhunya divariasikan, mewakili titik perubahan fasa pada ketinggian tekanan yang sesuai pada diagram. Kemudian tekanan diubah dan prosesnya diulang. Penyatuan titik-titik di mana perubahan fase terjadi dan persimpangan antara kurva yang dihasilkan memungkinkan pembuatan diagram fase, yang menunjukkan di setiap wilayah di setiap sisi kurva mana fase hadir.
Konstruksi diagram biner
Dalam kasus sistem biner, biasanya dimulai dengan dua komponen murni pada tekanan atau suhu yang ditentukan dan memvariasikan variabel lainnya (suhu atau tekanan, masing-masing), sekali lagi mencatat suhu atau tekanan di mana beberapa perubahan fasa terjadi. Titik-titik ini diwakili pada sumbu vertikal. Yang di sebelah kanan mewakili salah satu komponen murni dan yang di sebelah kiri mewakili yang lain.
Kemudian, campuran kedua komponen disiapkan dengan konsentrasi yang ditentukan dalam mol atau fraksi massanya (atau persentasenya). Untuk setiap komposisi (diplot pada sumbu x) sekali lagi variasikan suhu atau tekanan dan catat perubahan fasa seperti sebelumnya.
Konstruksi diagram terner
Prosedur untuk diagram terner biasanya sedikit lebih rumit. Dalam beberapa kasus, tujuannya adalah untuk menyiapkan campuran yang berjalan sejajar dengan salah satu sisi diagram, dalam kasus lain dilakukan secara tegak lurus dan dalam kasus lain secara diagonal. Masing-masing tur ini memiliki cara eksperimental tersendiri untuk dicapai, termasuk mencampur sistem biner tetap dengan peningkatan jumlah komponen ketiga dan sebaliknya, antara lain.
Untuk apa diagram fase digunakan?
Penerapan diagram fase tergantung pada jenis diagram fase tertentu yang dimaksud.
Utilitas diagram fase zat murni
Dalam kasus diagram zat murni, diagram fase memberi kita informasi yang jelas tentang fase di mana sistem akan menjadi fungsi dari tekanan dan suhu. Berkat ini, ini juga memungkinkan kami untuk memprediksi perubahan fase yang harus terjadi saat kami mengambil sistem dari keadaan awal ke keadaan akhir melalui jalur yang berbeda.
Di sisi lain, diagram fasa jenis ini juga memungkinkan untuk memprediksi suhu perubahan fasa (atau titik perubahan fasa) dari zat murni pada tekanan yang berbeda. Misalnya, kita dapat melihat dengan jelas bagaimana titik didih dan titik leleh berubah sebagai fungsi tekanan.
Utilitas diagram fase biner
Dalam kasus diagram fase biner, ini menawarkan informasi tentang fase yang berbeda, proporsinya dan komposisinya ketika kita bervariasi, baik suhu menjaga tekanan konstan, atau tekanan menjaga suhu konstan. Menjadi diagram dua dimensi, umumnya tidak mungkin untuk secara bersamaan mengamati perubahan fase, proporsi di mana setiap fase hadir, dan komposisinya sebagai fungsi suhu dan tekanan. Namun, pembangunan diagram fase biner sebagai fungsi suhu pada tekanan yang berbeda dapat memberi kita informasi ini secara tidak langsung.
Diagram fase sistem biner memungkinkan kita untuk mempelajari interaksi antara berbagai fase yang dapat terbentuk antara dua zat kimia yang berbeda. Fase-fase ini dapat mencakup fase murni dari kedua komponen dalam keadaan berbeda (padat dan cair, misalnya) atau fase homogen yang mengandung kedua komponen (seperti paduan, larutan, ko-kristal, dll.).
Berkat hal di atas, diagram fase biner memungkinkan identifikasi sistem eutektik, yaitu sistem biner yang meleleh pada suhu tunggal dan titik lelehnya lebih rendah daripada salah satu dari dua komponen murni. Selain itu, mereka memungkinkan penentuan suhu leleh sistem ini, yang dikenal sebagai titik eutektik. Ini sangat penting dalam berbagai aplikasi industri, karena memungkinkan identifikasi dan desain paduan logam berkekuatan tinggi dan rendah leleh yang berguna, misalnya dalam pengelasan.
Utilitas diagram fase terner
Akhirnya, dalam diagram fase terner, diagram segitiga digunakan untuk dapat secara bersamaan mewakili pada satu titik proporsi di mana tiga komponen campuran terner ditemukan. Ini berarti bahwa dalam diagram ini kita tidak dapat mengamati pengaruh suhu dan tekanan pada fasa yang ada dalam sistem terner, tetapi hanya pengaruh komposisi.
Oleh karena itu, diagram fase terner terutama digunakan untuk menentukan bagaimana sistem terner berperilaku ketika konsentrasi relatif dari salah satu komponen bervariasi. Ini berguna untuk mempelajari sistem di mana dua larutan dengan zat terlarut berbeda dicampur, karena pelarut dan dua zat terlarut akan ada dalam campuran, sehingga membentuk sistem terner.
Bagian dari diagram fase
Diagram berikut digunakan untuk menggambarkan bagian-bagian dari diagram fase untuk zat murni dan sistem biner:
Sumbu grafik
Tergantung pada jenis diagram fase, ini dapat mewakili tekanan dan suhu (seperti dalam kasus diagram pertama), fraksi mol satu komponen (seperti dalam diagram kedua), atau dua komponen (seperti dalam kasus diagram terner). . ).
Kurva kesetimbangan fase
Mereka adalah kurva yang memisahkan satu fase dari yang lain dalam diagram fase. Kurva AB, BC, dan BD pada diagram zat murni di atas adalah contoh kurva kesetimbangan fasa, demikian pula kurva AB dan AD pada diagram kedua.
tiga poin
Dalam sistem zat murni, titik tripel adalah satu di mana beberapa kurva kesetimbangan fase bertepatan, sehingga ada 3 fase dalam kesetimbangan simultan. Ini sesuai dengan titik B pada diagram pertama dari gambar sebelumnya.
Poin kritis
Ini sesuai dengan titik D pada diagram pertama. Ini menunjukkan suhu maksimum di mana zat murni dapat eksis sebagai cairan. Di atas suhu ini, zat tersebut selalu berupa gas dan pada suhu dan tekanan yang lebih tinggi ia berperilaku seperti cairan superkritis.
titik eutektik
Ini sesuai dengan titik A dalam diagram biner dari gambar sebelumnya. Ini adalah titik di mana kedua fase melebur bersama-sama langsung dari keadaan padat ke keadaan cair dengan tak satu pun dari dua fase padat asli yang tersisa. Titik ini menandai suhu leleh eutektik dan komposisi eutektik untuk sistem biner yang dipertimbangkan.
Tidak semua campuran membentuk campuran eutektik, tetapi banyak, seperti paduan, melakukannya.
Referensi
Agudelo, AF, & Restrepo, OJ (2005, 21 Januari). TERMODINAMIKA DAN DIAGRAM FASE . sciELO. http://www.scielo.org.co/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0012-73532005000100002
Diagram Fase Biner . (2014, 9 April). Zona Kimia. http://zona-quimica.blogspot.com/2014/04/diagrama-de-fases-binario.html
Lopez, JR (sf). Diagram fase . Junta de Andalucía. https://www.juntadeandalucia.es/averroes/centros-tic/21700290/helvia/aula/archivos/repositorio/0/42/html/diagram.html
Rekayasa Bahan. (2018, 20 Januari). Diagram Fase: Arti dan Jenis . Catatan Rekayasa India. https://www.engineeringenotes.com/engineering/phase-diagram/phase-diagram-meaning-and-types-material-engineering/34506
Novelo-Torres, AM, & Gracia-Fabrique, J. (2010, 1 Oktober). Lintasan dalam diagram terner . Elsevier. https://www.elsevier.es/es-revista-educacion-quimica-78-articulo-trayectorias-diagramas-ternarios-S0187893X18300995
