Diagram Fasa Kelompok 3 (Selesai) [PDF]

Citation preview

MATERIAL TEKNIK DIAGRAM FASA



DISUSUN OLEH



ILHAM ARDA SUBARI HARRY SETIAWAN GUNANTO ARI INDRA WIBOWO



DOSEN PEMBIMBING :



Bapak BUDI ISTANA ST.MT



JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS ISLAM RIAU 2014



DIAGRAM FASA



Page 1



KATA PENGANTAR



Seagala puji dan syukur kami ucapkan kepada Allah Yang Maha Esa dan Kuasa, karena rahmat dan karunia-Nya, kami dapat menyelesaikan makalah ini. Adapun yang menjadi pembahasan dalam makalah ini adalah “ DIARGAM



FASA”.



Penulisan



makalah ini ditujukan guna memenuhi tugas yang diberikan oleh dosen mata kuliah Material Teknik kami, bapak Budi Istana ST.MT. Kami berharap, dengan memahami isi makalah ini dapat memberi manfaat bagi kita semua dan menambah wawasan bagi pembaca. Makalah ini mungkin jauh dari sempurna, maka kami selaku penulis mengharapkan kritik dan saran dari pembaca agar kami dapat melakukannya dengan lebih baik pada kesempatan berikutnya.



DIAGRAM FASA



Page 2



DAFTAR ISI Kata Pengantar ..............................................................................................................



2



Daftar Isi ......................................................................................................................... 3 Bab I Pendahuluan ........................................................................................................



4



a. Latar Belakang ............................................................................................ 4 b. Tujuan ................................................................................................... 4 c. Rumusan Masalah ......................................................................................... 4 Bab II Pembahasan ........................................................................................................ 5 1. Diagram Fasa ....................................................................................................5



Pengertian .....................................................................................................5 Komponen Diagram Fasa ...................................................................... Diagram Fasa 2D ................................................................................7 Diagram Fasa 3D ....................................................................................



6 8



2. Kesetimbangan Fasa Pengertian ......................................................................................................9 Kriteria Kesetimbangan ...............................................................................9 Istilah Dalam Kesetimbangan Fasa ..........................................................10 3. Aturan Gibbs



................................................................................................11



4. Sistem Unary, Binary dan Ternary



..............................................................12



Bab III Penutup ......................................................................................................15 a. Kesimpulan ......................................................................................... 15 b. Saran ................................................................................................... 15 Daftar Pustaka .......................................................................................................16



DIAGRAM FASA



Page 3



BAB I PENDAHULUAN a. Latar Belakang Diagram Fasa adalah diagram yang menampilkan hubungan antara temperatur dimana terjadi perubahan fasa selama proses pendinginan dan pemanasan yang lambat dengan kadar karbon. Tidak seperti struktur logam murni yang hanya dipengaruhi oleh suhu, sedangkan struktur paduan dipengaruhi oleh suhu dan komposisi. Pada kesetimbangan, struktur paduan ini dapat digambarkan dalam suatu diagram yang disebut diagram fasa (diagram kesetimbangan) dengan parameter suhu (T) versus komposisi (mol atau fraksi mol). (Fase dapat didefinisikan sebagai bagian dari bahan yang memiliki struktur atau komposisi yang berbeda dari bagian lainnya). Diagram fasa khususnya untuk ilmu logam merupakan suatu pemetaan dari kondisi logam atau paduan dengan dua variabel utama umumnya ( Konsentrasi dan temperatur). b. Tujuan



1) Mengetahui apa yang disebut Fasa dan Diagram Fasa. 2) Mengetahui contoh gambar diagram Fasa 2D dan 3D. 3) Memahami istilah istilah pada Diagram Fasa. 4) Memahami sistem pada Diagram Fasa.



c. Rumusan Masalah



1) Apa itu fasa? 2) Bagaimana bentuk diagram Fasa pada 2D dan 3D? 3) Apa itu aturan Gibbs? 4) Bagaimanakan kesetimbangan Fasa itu?



DIAGRAM FASA



Page 4



BAB II PEMBAHASAN



1.



Diagram Fasa



a.



Pengertian



Fasa adalah sebuah daerah yang berbeda struktur dan komposisinya dari daerah lain. Dalam kimia fisik, mineralogi, dan teknik material, Diagram Fasa adalah sejenis grafik yang digunakan untuk menunjukkan kondisi kesetimbangan antara fase-fase yang berbeda dari suatu zat yang sama. Dalam matematika dan fisika, diagram fase juga mempunyai arti sinonim dengan ruang fase.



Diagram fasa secara umum dipakai ada 3 jenis : 1.



Diagram fasa tunggal/Uner ( 1 komponen/Komposisi sama dengan Paduan )



2.



Diagram fasa Biner ( 2 komponen unsur dan temperatur)



3.



Diagram fasa Terner ( 3 komponen unsur dan temperatur) Diagram fasa tunggal memiliki komposisi yang sama dengan paduan, misalnya timbale dan timah. Diagram fasa biner misalnya paduan kuningan ( Cu-Zn), (Cu-Ni) dll. Diagram fasa terner misalnya paduan stainless steel (Fe-Cr-Ni) dll. Diagram pendinginan merupakan diagram yang memetakan kondisi struktur mikro apa yang anda akan dapatkan melalui dua variabel utama yaitu ( Temperatur dan waktu) disebut juga diagram TTT atau juga dua variabel utama yaitu (temperatur dan cooling rater) disebut juga diagram CCT. Diagram ini berguna untuk mendapatkan sifat mekanik tertentu dan mikrostruktur tertentu, Fasa bainit misalnya pada baja hanya terdapat pada diagram TTT bukan diagram isothermal Fe-Fe3C. Kegunaan Diagram Fasa adalah dapat memberikan informasi tentang struktur dan komposisi fase-fase dalam kesetimbangan. Diagram fasa digunakan oleh ahli geologi, ahli kimia, ceramists, metallurgists dan ilmuwan lain untuk mengatur dan meringkas eksperimental dan data pengamatan serta dapat digunakan untuk membuat prediksi tentang proses-proses yang melibatkan reaksi kimia antara fase.



DIAGRAM FASA



Page 5



b.



Komponen Diagram Fasa Komponen umum diagram fasa adalah garis kesetimbangan atau batas fase, yang



merujuk pada baris yang menandai kondisi di mana beberapa fase dapat hidup berdampingan pada kesetimbangan. Fase transisi terjadi di sepanjang garis dari ekuilibrium. Titik tripel 2 adalah titik pada diagram fase di mana garis dari ekuilibrium berpotongan. Tanda titik tripel kondisi di mana tiga fase yang berbeda dapat ditampilkan bersama. Sebagai contoh, diagram fase air memiliki titik tripel tunggal yang sesuai dengan suhu dan tekanan di mana padat, cair, dan gas air dapat hidup berdampingan dalam keadaan kesetimbangan yang stabil. Titik solidus adalah Garis yang memisahkan bidang semua cairan dari yang ditambah cairan kristal. Titik likuidus adalah Garis yang memisahkan bidang semua cairan dari yang ditambah cairan kristal. Temperatur di atas mana zat tersebut stabil dalam keadaan cair. Terdapat sebuah kesenjangan antara solidus dan likuidus yang terdiri dari campuran kristal dan cairan.



DIAGRAM FASA



Page 6



c. Diagram Fasa 2D



Diagram fase yang paling sederhana adalah diagram tekanan-temperatur dari zat tunggal, seperti air. Sumbu-sumbu diagram berkoresponden dengan tekanan dan temperatur. Diagram fase pada ruang tekanan-temperatur menunjukkan garis kesetimbangan atau sempadan fase antara tiga fase padat, cair, dan gas.



Garis titik-titik merupakan sifat anomali air. Garis berwarna hijau menandakan titik beku dan garis biru menandakan titik didih yang berubah-ubah sesuai dengan tekanan. Penandaan diagram fase menunjukkan titik-titik di mana energi bebas bersifat nonanalitis. Fase-fase dipisahkan dengan sebuah garis non-analisitas, di mana transisi fase terjadi, dan disebut sebagai sempadan fase. Pada diagaram sebelah kiri, sempadan fase antara cair dan gas tidak berlanjut sampai tak terhingga. Ia akan berhenti pada sebuah titik pada diagaram fase yang disebut sebagai titik kritis. Ini menunjukkan bahwa pada temperatur dan tekanan yang sangat tinggi, fase cair dan gas menjadi tidak dapat dibedakan[1], yang dikenal sebagai fluida superkritis. Pada air, titik kritis ada pada sekitar 647 K dan 22,064 MPa (3.200,1 psi) Keberadaan titik kritis cair-gas menunjukkan ambiguitas pada definisi di atas. Ketika dari cair menjadi gas, biasanya akan melewati sebuah sempadan fase, namun adalah mungkin untuk memilih lajur yang tidak melewati sempadan dengan berjalan menuju fase superkritis. Oleh karena itu, fase cair dan gas dapat dicampur terus menerus. Sempadan padat-cair pada diagram fase kebanyakan zat memiliki gradien yang positif. Hal ini dikarenakan fase padat memiliki densitas yang lebih tinggi daripada fase cair, sehingga peningkatan tekanan akan meningkatkan titik leleh. Pada beberapa bagian diagram fase air, sempadan fase padat-cair air memiliki gradien yang negatif, menunjukkan bahwa es mempunyai densitas yang lebih kecil daripada air.



DIAGRAM FASA



Page 7



d. DIAGRAM FASA 3D Diagram fasa 3D untuk membuat grafik tiga dimensi (3D) yang menunjukkan tiga kuantitas termodinamika. Sebagai contoh, untuk sebuah komponen tunggal, koordinat 3D Cartesius dapat menunjukkan temperatur (T), tekanan (P), dan volume jenis (v). Grafik 3D tersebut kadang-kadang disebut diagram P-v-T. Kondisi kesetimbangan akan ditungjukkan sebagai permukaan tiga dimensi dengan luas permukaan untuk fase padat, cair, dan gas. Garis pada permukaan tersebut disebut garis tripel, di mana zat padat, cair, dan gas dapat berada dalam kesetimbangan. Titik kritis masih berupa sebuah titik pada permukaan bahkan pada diagram fase 3D. Proyeksi ortografi grafik P-v-T 3D yang menunjukkan tekanan dan temperatur sebagai sumbu vertikal dan horizontal akan menurunkan plot 3D tersebut menjadi diagram tekanan-temperatur 2D. Ketika hal ini terjadi, permukaan padat-uap, padat-cair, dan cair-uap akan menjadi tiga kurva garis yang akan bertemu pada titik tripel, yang merupakan proyeksi ortografik garis tripel. Gambar:



DIAGRAM FASA



Page 8



2.



Kesetimbangan Fasa



a.



Pengertian Bagian sesuatu yang menjadi pusat perhatian dan dipelajari disebut sebagai sistem.



Suatu sistem heterogen terdiri dari berbagai bagian yang homogen yang saling bersentuhan dengan batas yang jelas. Bagian homogen ini disebut sebagai fasa dapat dipisahkan secara mekanik. Tekanan dan temperatur menentukan keadaan suatu materi kesetimbangan fasa dari materi yang sama. Kesetimbangan fasa dari suatu sistem harus memenuhi syarat berikut : 1. 2. 3.



Sistem mempunyai lebih dari satu fasa meskipun materinya sama Terjadi perpindahan reversibel spesi kimia dari satu fasa ke fasa lain Seluruh bagian sistem mempunyai tekanan dan temperatur sama Kesetimbangan fasa dikelompokan menurut jumlah komponen penyusunnya yaitu sistem satu komponen, dua komponen dan tiga komponen Pemahaman mengenai perilaku fasa berkembang dengan adanya aturan fasa Gibbs. Sedangkan persamaan Clausius dan persamaan Clausius Clayperon menghubungkan perubahan tekanan kesetimbangan dan perubahan suhu pada sistem satu komponen. Adanya penyimpangan dari sistem dua komponen cair- cair ideal konsep sifat koligatif larutan dapat dijelaskan.



b. Kriteria Kesetimbangan Kesetimbangan antara beberapa fasa dapat dinyatakan dengan besaran- besaran intensif T (suhu), P (tekanan) dan μ (potensial kimia). Kriteria suatu kesetimbangan diperlihatkan oleh perubahan energi bebas Gibbs (ΔG)



DIAGRAM FASA



Page 9



c. Istilah dalam kesetimbangan fasa 1.



Fasa Sering istilah fasa diidentikkan dengan wujud atau keadaan suatu materi, misalnya es berwujud padat, air berwujud cair atau uap air yang berwujud gas. Konsep ini tidak benar karena sistem padatan dan sistem cairan dapat terdiri dari beberapa fasa. Sedangkan gas cenderung bercampur sempurna sehingga dalam sistem gas hanyaterdapat satu fasa. Fasa dapat didefinisikan sebagai setiap bagian sistem yang :



a. b. c.



homogen dan dipisahkan oleh batas yang jelas sifat fisik dan sifat kimia berbeda dari bagian sistem lain dapat dipisahkan secara mekanik dari bagian lain sistem itu Contoh :



 sistem satu fasa : Dua cairan yang bercampur homogen  sistem 2 fasa : cairan polar (misal air) dan non polar (misal :minyak) sistem belerang padat (monoklin dan rombik)  sistem 3 fasa : es, uap air dan air 2.



Komponen (C) Jumlah komponen suatu sistem dinyatakan sebagai jumlah minimum spesi kimia yang membentuk sistem tersebut yang dapat menentukan susunan setiap sistem fasa sistem. Contoh.



 Jumlah komponen C = 1  jumlah komponen C = 3 untuk perbandingan mol dan jumlah komponen C = 2 bila perbandingan mol 3.



Derajat kebebasan (F) Derajat kebebasan (F) dari suatu sistem setimbang merupakan variabel intensif independen yang diperlukan untuk menyatakan keadaan sistem tersebut. Untuk menentukan derajat kebebasan dibutuhkan aturan fasa.



4.



Aturan Fasa Aturan fasa mengatur hubungan antara jumlah komponen, jumlah fasa dan derajat kebebasan suatu sistem. Menurut aturan fasa.



3. Aturan Fasa Gibbs DIAGRAM FASA



Page 10



Aturan fasa, pertama kali dicetuskan oleh J. Willard Gibbs pada tahun 1876, terkait kondisi fisik campuran dengan jumlah konstituen dalam sistem dan kondisinya. Gibbs pula yang pertama kali menggunakan istilah “Phase” untuk setiap wilayah homogen dalam suatu sistem. Ketika tekanan dan temperatur adalah variabel tetap, aturan tersebut dapat ditulis sebagai:



dimana f adalah jumlah variabel bebas (disebut derajat kebebasan), c adalah jumlah komponen, dan p adalah jumlah fase stabil dalam sistem. Aturan fase Gibbs berlaku untuk semua materi (padat, cair, dan gas), tetapi ketika efek dari tekanan konstan, aturan tersebut tereduksi menjadi:



Jumlah komponen dapat lebih kecil daripada macam zat “n” yang berada dalam sistem, karena mungkin saja terdapat hubungan antara konsentrasi kesetimbangan berbagai zat dalam sistem hingga untuk melukiskan sistem secara lengkap tidak perlu dinyatakan sebanyak “n” kali. Terdapat dua macam hubungan antara konsentrasi komponen-komponen yaitu kesetimbangan kimia dan keadaan awal. Bagi tiap kesetimbangan kimia jumlah konsentrasi yang bebas berkurang sebuah. Sebagai contoh, bila kalsium oksida padat, kalsium karbonat padat, dan gas karbon dioksida berada dalam kesetimbangan, jumlah komponen berkurang dengan satu oleh adanya kesetimbangan kimia. Jumlah derajat kebebasan atau varian v suatu sistem ialah bilangan terkecil yang menunjukkan jumlah variable bebas (tekanan, suhu, konsentrasi berbagai fasa) yang harus diberi harga untuk melukiskan keadaan sistem.



4. Sistem Unary, Binary dan Ternary DIAGRAM FASA



Page 11



a. Sistem Satu Komponen (Unary) Untuk sistem 1 komponen aturan fasa berubah menjadi Karena fasa tidak mungkin = 0, maka derajat kebebasan maksimum adalah 2 artinya sistem 1 komponen paling banyak memiliki 2 variabel intensif untuk menyatakan keadaan sistem yaitu P (tekanan) dan T (suhu). Diagram fasa adalah diagram yang menggambarkan keadaan sistem (komponen dan fasa) yang dinyatakan dalam 2 dimensi. Dalam diagram ini tergambar sifat- sifat zat seperti titik didih, titik leleh, titik tripel. Sebagai contoh adalah diagram fasa 1 komponen adalah diagram fasa air. Diagram ini menggambarkan hubungan antara tekanan dan suhu pada sistem 1 komponen air. Titik tripel memperlihatkan suhu dimana air mempunyai 3 fasa yaitu padat, cair dan gas. CONTOH GAMBAR



b. Sistem Dua Komponen (Binary) Diagram fase dengan lebih dari dua dimensi dapat dibuat yang menunjukkan efek lebih dari dua variabel pada fase suatu zat. Diagram fasa dapat menggunakan variabel lain di samping atau sebagai pengganti dari suhu, tekanan dan komposisi, misalnya kekuatan listrik yang diterapkan atau medan magnet dan mereka juga dapat melibatkan bahan-bahan yang mengambil lebih dari sekadar tiga negara dari materi. Satu jenis plot diagram fase temperatur DIAGRAM FASA



Page 12



terhadap konsentrasi relatif dari dua zat dalam biner campuran yang disebut diagram fase biner, seperti yang ditunjukkan di bawah ini :



c. Sistem Tiga komponen (Ternary) Sistem tiga komponen mempunyai derajat kebebasan, karena tidak mungkin membuat diagram dengan 4 variabel, maka sistem tersebut dibuat pada tekanan dan suhu tetap. Sehingga diagram hanya merupakan fungsi komposisi. Harga derajat kebebasan maksimal adalah 2, karena harga P hanya mempunyai 2 pilihan 1 fasa yaitu ketiga komponen bercampur homogen atau 2 fasa yang meliputi 2 pasang misibel. Umumnya sistem 3



DIAGRAM FASA



Page 13



komponen merupakan sistem cair-cair- cair. Jumlah fraksi mol ketiga komponen berharga 1. Sistem koordinat diagram ini digambarkan sebagai segitiga sama sisi dapat berupa % mol atau fraksi mol ataupun % berat seperti gambar berikut :



Gambar Sistem Kordinat Segitiga Dalam Sistem Tiga Komponen



BAB III PENUTUP



KESIMPULAN



DIAGRAM FASA



Page 14



Dalam pembuatan makalah tentang Diagram Fasa ini, penulis menyimpulkan bahwa : “Dalam hal yang menyangkut pembelajaran Material/Bahan, Diagram Fasa sangat penting untuk mengetahui kondisi kesetimbangan antara fase-fase yang berbeda dari suatu zat yang sama.”



SARAN Penting bagi kita untuk mempunyai beberapa buku referensi yang berkaitan dengan Diagram Fasa pada material/bahan, sehingga kita semakin mudah untuk mempelajari materi ini dan semakin mematangkan pengetahuan kita tentang Fasa serta hal hal yang berkaitan lainnya.



DAFTAR PUSTAKA



http://id.wikipedia.org/wiki/Diagram_fase (3/September/2014 pukul: 19.24) http://ekasetiawahyudi.blogspot.com/2012/11/diagram-fasa.html (3/September/2014 pukul: 19.35) DIAGRAM FASA



Page 15



DIAGRAM FASA



Page 16