Monday, February 18, 2013

Diagram p-v-T dan Diagram p-T , p-v ,T-v

Diagram p-v-T dan Diagram p-T , p-v ,T-v
Dalam mempelajari ilmu termodinamika erat kaitannya dengan tiga faktor utama yang mempengaruhi sifat kimia fisika suatu materi yaitu tekanan (p), volum (V) dan suhu (T). Ketiga faktor tersebut berperan penting untuk menentukan wujud atau fasa suatu materi. Secara umum, kita mengetahui terdapat tiga jenis fasa materi, yaitu padat, cair, gas. Namun, dalam kajian termodinamika fasa materi tidak hanya itu, masih ada beberapa jenis fasa lainnya bergantung pada kondisi. Pada kondisi tertentu, dapat dimungkinkan muncul lebih dari satu jenis fasa yang berbeda sekaligus. Hubungan kondisi tersebut dapat dipelajari lebih mudah melalui suatu penggambaran diagram yang mencakup tekanan (p), volum (V) dan suhu (T). Ketiga faktor tersebut berpadu membentuk sebuah diagram tiga dimensi (3D) yang sering disebut diagram p-v-T yang ditunjukkan pada gambar 1 . Diagram tersebut dibentuk dengan meletakkan masing-masing faktor (p-v-T) pada sumbu koordinat kartesius (x,y,z). Hasil visualisasi tersebut diperoleh dari serangkaian percobaan atau eksperimen para ahli. Dari hasil percobaan tersebut diperoleh suatu hubungan-hubungan kuantitatif yang kemudian dapat ditafsirkan secara kualitatif.
 Gambar 1. diagram p-v-T
Sumber : Moran, J. Michael ,Shapiro. N. Howard. 2006. Fundamentals of Engineering Thermodynamics. London : John Wiley & Sons, Inc.
Pada gambar di atas terlihat ada daerah-daerah di mana zat tersebut memiliki satu fase (single phase), dua fase (two phase) dan  ketiga wujud zat berada dalam kesetimbangan. Daerah single-phase adalah daerah di mana hanya terdapat satu fase yaitu : solid (padat), liquid (cair), dan vapor (uap). Pada daerah tersebut dipengaruhi oleh dua kombinasi faktor, yakni tekanan, temperature atau volume spesifik dan pada kondisi ini ketiganya independent . Sementara daerah di antara satu fasa atau fasa tunggal adalah daerah dua fasa. Daerah dua fasa (two phase)  adalah daerah di mana terdapat kesetimbangan antara dua fasa : cair-uap, cair-padat, dan padat-uap. Daerah dua fasa muncul karena adanya perubahan fasa seperti : penguapan (cair ke uap), peleburan (padat ke cair) dan penyubliman (padat-gas). Pada daerah dua fasa tekanan dan temperature saling bergantung (dependent) artinya salah satu tidak akan berubah jika yang lainya tidak berubah. Oleh karena itu, bentuk fasa tidak hanya ditentukan oleh temperature dan tekanan saja, melainkan ditentukan juga oleh volume spesifik. Garis di mana terdapat kesetimbangan tiga fasa disebut triple line.
Seringkali sulit untuk memahami diagram p-v-T secara langsung yang merupakan penggambaran secara tiga dimensi. Oleh karena itu, untuk memudahkan pembacaan diagram tersebut maka diagram tersebut dikonversi menjadi diagram dua dimensi (2D) melalui proyeksi pada bidang.  Proyeksinya tersebut menghasilkan diagram p-T, diagram p-v dan diagram T- v. Simulasi proses konversi tersebut dijelaskan oleh gambar 2.

Gambar 2. Proyeksi p-v-T pada permukaan p-T dan p-v
Sumber : Sulistiati, Ainie Khuriati Riza. 2010. Termodinamika. Yogyakarta : Graha Ilmu

Dari gambar di atas dapat diketahui bahwa ketika gambar permukaan p-v-T diproyeksikan pada bidang tekanan-suhu maka akan didapat diagram p-T (gambar 4). Sementara proyeksi gambar permukaan p-v-T pada bidang tekanan-volum spesifik menghasilkan diagram p-T (gambar 3). Dan proyeksi gambar permukaan p-v-T pada bidang suhu-volume spesifik menghasilkan diagram T-v. Selain itu, akibat dari proyeksi ini adalah reduksi cakupan operasi kondisi fasa yakni daerah padatan-cairan menjadi garis peleburan, daerah cairan-uap menjadi garis penguapan dan daerah padatan-uap menjadi garis sublimasi. Garis tripel diproyeksikan menjadi titik tripel.
Untuk pemahanan lebih lanjut mengenai diagram diagram p-T dan diagram p-T maka akan dijelaskan beberapa keadaan tambahan yang terbentuk pada kondisi tertentu. Keadaan jenuh (saturation state) adalah keadaan di mana perubahan fasa dimulai dan berakhir. Kurva uap (vapor dome) adalah kurva yang terdiri atas dua fase cair dan uap. Garis yang membatasi kurva uap tersebut disebut garis cairan jenuh (saturated liquid lines) dan garis uap jenuh (saturated vapor lines). Titik di mana garis jenuh cairan dan uap bertemu di sebut titik kritis (critical point). Titik kritis tersebut juga adalah titik di mana gas di atas tekanan dan temperatur kritis tidak dapat dicairkan hanya dengan mengecilkan volumenya. Suhu pada terjadinya titik kitis disebut Temperature kritis (Tc) yang menunjukkan batas maksimum agar kesetimbangan fasa cairan dan uap terbentuk. Sementara tekanan pada suhu kritis disebut tekanan kritis (pc). Sedangkan volume spesifik pada kondisi tersebut disebut volume spesifik kritis.

Diagram p-v
Proyeksi diagram tiga dimensi p-v-T ke dalam diagram p-v diperlihatkan pada gambar 4. Pada diagram tersebut tampak garis-garis isotermal (suhu tetap). Pada grafik di bawah, dapat dilihat bahwa pada suhu di bawah titik kritis, maka tekanan akan konstan ketika melalui daerah dua fasa cair-uap, tetapi pada daerah satu fasa ( cair atau gas) maka tekanan akan turun pada temperature tetap dan volume spesifik naik (kurva ditunjukkan tanda panah merah). Sedangkan saat temperature sama atau lebih dari temperature kritis (Tc), maka tekanan akan menurun secara terus menerus pada temperature tetap dan volume spesifik meningkat (kurva ditunjukkan oleh tanda panah biru). Hal ini terjadi karena kurva tersebut tidak memotong pada daerah dua fasa cair-uap. 
Gambar 3. Diagram p-v
Sumber : Moran, J. Michael ,Shapiro. N. Howard. 2006. Fundamentals of Engineering Thermodynamics. London : John Wiley & Sons, Inc.
Diagram p-T
Ketika gambar permukaan p-v-T diproyeksikan pada diagram p-T (gambar 4), daerah padatan-cairan menjadi garis peleburan, daerah cairan-uap menjadi garis penguapan dan daerah padatan-uap menjadi garis sublimasi. Garis tripel diproyeksikan menjadi titik tripel.
Diagram p-T adalah jalan untuk menunjukkan suatu fase zat karena pada diagram tersebut , tiga fase dari zat dipisahkan secara jelas melalui garis, yaitu garis peleburan ( kesetimbangan fase padat dan cair), garis penguapan ( kesetimbangan fase cair dan uap), garis penyubliman (kesetimbangan fsae padat dan uap). Ketiga garis  tersebut bertemu di titik tripel.  Titik tripel adalah ketika suatu zat berada pada kesetimbangan fase padat, cair dan uap.
Gambar di bawah juga memperjelas bidang cair dari 2 jenis zat, yakni:
·         Bidang a – b – d merupakan bidang cair dari zat yang memuai saat beku. Artinya, semua kombinasi Tekanan dan Suhu dari zat yang berada di bidang ini berada pada keadaan cair.
·         Bidang c – b – d merupakan bidang cair dari zat yang menyusut saat beku.
Gambar tersebut juga menerangkan proses perubahan wujud zat dari beku menjadi uap melalui dua mekanisme. Pada proses yang ditandai dengan panah merah, mula-mula zat dari keadaan beku (fasa padat) berubah menjadi cair (pencairan) kemudian berubah menjadi uap (penguapan). Sementara pada proses yang ditandai dengan panah biru, perubahan dari bentuk beku (padat) menjadi uap terjadi tanpa melalui proses pelelehan (mencair). Proses ini disebut dengan menyublim. Dan proses tersebut hanya dapat terjadi pada tekanan dan suhu dibawah tekanan dan suhu triple point.


Diagram T-v

Ketika permukaan diagram p-v-T diproyeksikan pada bidang temperature-volume spesifik maka akan menghasilkan diagram T-v. Gambar di atas merupakan sketsa dari diagram T-v dari air pada fase cair, dua fasa cair-uap dan uap. Untuk kondisi tekanan dibawah tekanan kritis (kurva ditunjukkan oleh panah merah), sepert 10 MPa, maka  tekanan akan konstan ketika melintasi daerah dua fasa.  Sementara pada daerah satu fasa ( cair atau uap ) maka tekanan akan meningkat seiring kenaikan suhu maupun volume spesifik. Sedangakan pada kondisi tekanan sama dengan atau lebih dari tekanan kritis (kurva ditunjukkan oleh panah biru), seperti 30 MPa, maka tekanan akan secara kontinu/terus menerus meningkat seiring kenaikan suhu maupun volume spesifik. Hal ini disebabkan pada tekana sebesar itu, kurva tersebut tidak melalui daerah dua fasa. 
Gambar 5. Diagram T-v dari air
sumber : Sumber : Moran, J. Michael ,Shapiro. N. Howard. 2006. Fundamentals of Engineering Thermodynamics. London : John Wiley & Sons, Inc.




Daftar Pustaka
Moran, J. Michael ,Shapiro. N. Howard. 2006. Fundamentals of Engineering Thermodynamics. London : John Wiley & Sons, Inc.


0 comments:

Post a Comment

 
;