Diagran fasa

. 15

PHASE DIAGRAM (DIAGRAM FASA)

1.    Diagram Fasa

a.     Pengertian

             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). 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.

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. Di bawah ini adalah Gambar yang dapat menjelaskan dalam bentuk yang sebenarnya :

c.      Diagram Fasa 2D

          Diagram fasa yang paling sederhana adalah diagram tekanan-temperatur dari zat tunggal yang sederhana, seperti air. Sumbu sesuai dengan tekanan dan suhu. Diagram menunjukkan fasa, dalam ruang tekanan-suhu, garis-garis batas keseimbangan atau fase antara tiga fase padat, gas, dan cair.

Sebuah diagram fase khas. Garis putus-putus memberikan perilaku anomali air. Garis hijau menandai titik beku dan garis biru titik didih, menunjukkan bagaimana mereka bervariasi dengan tekanan. Kurva pada diagram fasa menunjukkan titik-titik di mana energi bebas (dan sifat turunan lainnya) menjadi non-analitis: turunannya berkenaan dengan (suhu dan tekanan dalam contoh ini) koordinat perubahan terputus-putus (tiba-tiba). Misalnya, kapasitas panas dari wadah dengan es akan berubah tiba-tiba sebagai wadah dipanaskan melewati titik lebur. Ruang terbuka, di mana energi bebas adalah analitik, sesuai dengan daerah fase tunggal. Daerah satu fasa dipisahkan oleh garis non-analitis, di mana transisi fase terjadi, yang disebut batas fase. Dalam diagram di sebelah kiri, batas fasa antara cair dan gas tidak berlanjut tanpa batas. Sebaliknya, berakhir pada sebuah titik pada diagram fase yang disebut titik kritis. Ini mencerminkan fakta bahwa, pada suhu dan tekanan sangat tinggi, fase cair dan gas menjadi tidak dapat dibedakan, dalam apa yang dikenal sebagai fluida superkritis. Pada air, titik kritis

terjadi pada sekitar Tc = 647,096 K (1,164.773 ° R), pc = 22,064 MPa (3,200.1 psi) dan ρc = 356 kg / m³. Keberadaan titik cair-gas kritis mengungkapkan ambiguitas sedikit pelabelan daerah fase tunggal. Ketika terjadi dari cairan ke fase gas, satu biasanya menyeberangi batas fase, namun adalah mungkin untuk memilih jalan yang tidak pernah melintasi batas dengan pergi ke kanan titik kritis. Dengan demikian, fase cair dan gas dapat berbaur terus menerus ke satu sama lain.

          Batas fase padat-cair hanya dapat diakhiri dengan titik kritis jika fase padat dan cair memiliki grup simetri yang sama. Batas fase padat-cair dalam diagram fase zat yang paling memiliki kemiringan positif, semakin besar tekanan pada zat tertentu, semakin dekat bersama-sama molekul-molekul zat dibawa ke satu sama lain, yang meningkatkan efek dari kekuatan antarmolekul substansi itu. Dengan demikian, substansi memerlukan suhu yang lebih tinggi untuk molekul untuk memiliki energi yang cukup untuk keluar pola tetap dari fase padat dan memasuki fase cair. Konsep serupa juga berlaku untuk perubahan fase cair-gas air, karena sifat tertentu, adalah salah satu dari beberapa pengecualian aturan.

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.      Sistem mempunyai lebih dari satu fasa meskipun materinya sama

2.      Terjadi perpindahan reversibel spesi kimia dari satu fasa ke fasa lain

3.      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)

d.     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.       homogen dan dipisahkan oleh batas yang jelas

b.      sifat fisik dan sifat kimia berbeda dari bagian sistem lain

c.       dapat dipisahkan secara mekanik dari bagian lain sistem itu

Contoh :

v  sistem satu fasa : Dua cairan yang bercampur homogen

v  sistem 2 fasa : cairan polar (misal air) dan non polar (misal :minyak) sistem belerang padat (monoklin dan rombik)

v  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.

v   Jumlah komponen C = 1

v 

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

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

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.

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

terhadap konsentrasi relatif dari dua zat dalam biner campuran yang disebut diagram fase

biner, seperti yang ditunjukkan di bawah ini :

            Eutektik biner diagram fase menjelaskan perilaku kimia dua tidak bercampur (unmixable) kristal dari yang benar-benar bercampur (mixable) meleleh, seperti olivin dan pyroxene, atau pyroxene dan Ca plagioclase. Tipe lain dari diagram fasa biner adalah diagram titik didih campuran dari dua komponen, yaitu senyawa kimia. Selama dua khusus volatile komponen pada tekanan tertentu seperti tekanan atmosfer, diagram titik didih menunjukkan apa uap (gas) komposisi berada dalam kesetimbangan dengan komposisi cairan yang diberikan tergantung pada suhu. Dalam biner khas titik didih diagram suhu diplot pada sumbu vertikal dan campuran komposisi pada sumbu horizontal.

            Reaksi Eutektik dapat disebut juga dengan Reaksi Invarian. Reaksi ini memiliki jumlah fasa maksimum adalah tiga, dimana terdapat secara bersamaan dalam kondisi kesetimbangan pada sistem biner yang melibatkan larutan cairan. Reaksi Invarian Kedua disebut dengan Peritektik. Bentuk Generik dari Reaksi Peritektik adalah :

Arah panah pada persamaan di atas menyatakan bahwa terdapat 2 proses yang dapat digunakan, yaitu pendinginan dan pemanasan. Reaksi Invarian Ketiga adalah Reaksi Eutektoid. Reaksi ini melibatkan larutan padat. Bentuk generik dari Reaksi Eutektoid adalah sebagai berikut :

Seperti halnya penjelasan pada Reaksi Peritektik, persamaan diatas menyatakan bahwa terdapat 2 proses yang dapat digunakan, yaitu pemanasan dan pendinginan. Reaksi Invarian lainnya dapat dikelompokkan menjadi beberapa macam, yaitu :

v  Monotektik                 

v  Peritektoid                   

v  Sintektik                      

Ketika satu fase padat berubah menjadi dua fasa padat selama pemanasan, disebut eutektoid. Lain halnya dengan eutektoid, Peritectoid merupakan suatu titik di mana dua fasa padat bergabung menjadi satu fase padat selama pemanasan.

Gambar 4.3 Diagram Peritectic, Eutectic, dan Eutectoid

            Dua fasa yang terdiri dari padat dan cair secara kolektif terkondensasi dikenal sebagai fase terkondensasi. Analisis kesetimbangan antara fase terkondensasi biasanya mengabaikan fase gas. Kombinasi fase terkondensasi termasuk cair-padat dan padat-padat. Banyak kristalografi bentuk padatan masing-masing dianggap sebagai tahap yang berbeda, jadi kesetimbangan ini menunjukkan cukup beragam. Subjek ini dikenal sebagai representasi diagram fase biner. Pada masing-masing contoh di atas, tujuannya adalah untuk menentukan konsentrasi. komponen A dan B dalam dua fase bersamaan. Dalam fase kental kesetimbangan, identifikasi stabil fase I dan II juga merupakan objektif.

            Komposisi kimia dua fasa terletak di dua ujung isoterm, atau garis hubung yang melalui daerah dua fasa. Sebagai gambaran, ambillah solder 80 Pb-20 Sn pada 150 derajat. Dengan bantuan isoterm lainnya, kita dapat menentukan komposisi kimia dua fasa dari sebarang paduan Pb-Sn pada sebarang suhu terkait.

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 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  4.4 berikut :

Gambar 4.4 Sistem Kordinat Segitiga Dalam Sistem Tiga Komponen

Gambar 4.5 adalah contoh diagram fasa 3 komponen cair- cair sistem aseton- air – eter pada 30 0C, 1 atm dengan koordinat persen mol . Daerah di bawah kurva adalah daerah 2 fasa yaitu air- aseton dan eter- aseton. Dalam gambar terlihat pada komposisi ekstrem air dapat bercampur sempurna dengan eter. Sedangkan aseton dapat bercampur homogen baik dengan air maupun eter.

5. ATURAN Pengungkit (Lever Rule)

Besarnya presentasi suatu fasa pada bagian dua fasa dari suatu diagram fasa biner dapat dihitung dengan menggunakan Lever Rule. Contohnya adalah dengan menggunakan Lever Rule , besarnya presentasi dari suatu cairan atau zat padat pada suhu tertentu dapat untuk komposisi rata-rata pada dua fasa tersebut.Adapun persamaan yang dapat digunakan adalah sebagai berikut :

Dari persamaan diatas, diketahui bahwa Xl adalah besarnya fraksi dari fasa cair, sedangkan Xs adalah besarnya fraksi dari fasa padat. Persamaan lain yang dapat digunakan adalah sebagai berikut :

Dengan mengkombinasi kedua persamaan, maka dapat diperoleh persamaan sebagai berikut :

Adapun gambar dari Lever Rule seperti berikut ini :

c.      Diagram Fasa 2D

          Diagram fasa yang paling sederhana adalah diagram tekanan-temperatur dari zat tunggal yang sederhana, seperti air. Sumbu sesuai dengan tekanan dan suhu. Diagram menunjukkan fasa, dalam ruang tekanan-suhu, garis-garis batas keseimbangan atau fase antara tiga fase padat, gas, dan cair.

Gambar 1.2 Diagram Fasa 2D

Sebuah diagram fase khas. Garis putus-putus memberikan perilaku anomali air. Garis hijau menandai titik beku dan garis biru titik didih, menunjukkan bagaimana mereka bervariasi dengan tekanan. Kurva pada diagram fasa menunjukkan titik-titik di mana energi bebas (dan sifat turunan lainnya) menjadi non-analitis: turunannya berkenaan dengan (suhu dan tekanan dalam contoh ini) koordinat perubahan terputus-putus (tiba-tiba). Misalnya, kapasitas panas dari wadah dengan es akan berubah tiba-tiba sebagai wadah dipanaskan melewati titik lebur. Ruang terbuka, di mana energi bebas adalah analitik, sesuai dengan daerah fase tunggal. Daerah satu fasa dipisahkan oleh garis non-analitis, di mana transisi fase terjadi, yang disebut batas fase. Dalam diagram di sebelah kiri, batas fasa antara cair dan gas tidak berlanjut tanpa batas. Sebaliknya, berakhir pada sebuah titik pada diagram fase yang disebut titik kritis. Ini mencerminkan fakta bahwa, pada suhu dan tekanan sangat tinggi, fase cair dan gas menjadi tidak dapat dibedakan, dalam apa yang dikenal sebagai fluida superkritis. Pada air, titik kritis

terjadi pada sekitar Tc = 647,096 K (1,164.773 ° R), pc = 22,064 MPa (3,200.1 psi) dan ρc = 356 kg / m³. Keberadaan titik cair-gas kritis mengungkapkan ambiguitas sedikit pelabelan daerah fase tunggal. Ketika terjadi dari cairan ke fase gas, satu biasanya menyeberangi batas fase, namun adalah mungkin untuk memilih jalan yang tidak pernah melintasi batas dengan pergi ke kanan titik kritis. Dengan demikian, fase cair dan gas dapat berbaur terus menerus ke satu sama lain.

          Batas fase padat-cair hanya dapat diakhiri dengan titik kritis jika fase padat dan cair memiliki grup simetri yang sama. Batas fase padat-cair dalam diagram fase zat yang paling memiliki kemiringan positif, semakin besar tekanan pada zat tertentu, semakin dekat bersama-sama molekul-molekul zat dibawa ke satu sama lain, yang meningkatkan efek dari kekuatan antarmolekul substansi itu. Dengan demikian, substansi memerlukan suhu yang lebih tinggi untuk molekul untuk memiliki energi yang cukup untuk keluar pola tetap dari fase padat dan memasuki fase cair. Konsep serupa juga berlaku untuk perubahan fase cair-gas air, karena sifat tertentu, adalah salah satu dari beberapa pengecualian aturan.

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.      Sistem mempunyai lebih dari satu fasa meskipun materinya sama

2.      Terjadi perpindahan reversibel spesi kimia dari satu fasa ke fasa lain

3.      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) yang dinyatakan melalui persamaan :

dengan potensial kimia (μ) :

Pada keadaan setimbang, potensial kimia suatu komponen adalah sama pada setiap fasa, contoh pada kesetimbangan  H2O maka μ H2O (l ) = μ H2O (g ), yang dapat dibuktikan sebagai berikut :

Artinya potensial kimia akan berharga sama bila sistem dalam kesetimbangan. Persamaan (7) memperlihatkan bila   maka akan terjadi aliran potensial dari fasa α menuju fasa β dan sering disebut sebagai kesetimbangan material. Demikian pula bila  maka akan terjadi aliran suhu dari fasa α menuju fasa β hingga tercapai kesetimbangan termal. Kesetimbangan mekanik akan tercapai bila terjadi aliran tekanan dari fasa α menuju fasa β.

d.     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.       homogen dan dipisahkan oleh batas yang jelas

b.      sifat fisik dan sifat kimia berbeda dari bagian sistem lain

c.       dapat dipisahkan secara mekanik dari bagian lain sistem itu

Contoh :

v  sistem satu fasa : Dua cairan yang bercampur homogen

v  sistem 2 fasa : cairan polar (misal air) dan non polar (misal :minyak) sistem belerang padat (monoklin dan rombik)

v  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.

v   Jumlah komponen C = 1

v 

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

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

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.

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

terhadap konsentrasi relatif dari dua zat dalam biner campuran yang disebut diagram fase

biner, seperti yang ditunjukkan di bawah ini :

            Eutektik biner diagram fase menjelaskan perilaku kimia dua tidak bercampur (unmixable) kristal dari yang benar-benar bercampur (mixable) meleleh, seperti olivin dan pyroxene, atau pyroxene dan Ca plagioclase. Tipe lain dari diagram fasa biner adalah diagram titik didih campuran dari dua komponen, yaitu senyawa kimia. Selama dua khusus volatile komponen pada tekanan tertentu seperti tekanan atmosfer, diagram titik didih menunjukkan apa uap (gas) komposisi berada dalam kesetimbangan dengan komposisi cairan yang diberikan tergantung pada suhu. Dalam biner khas titik didih diagram suhu diplot pada sumbu vertikal dan campuran komposisi pada sumbu horizontal.

            Reaksi Eutektik dapat disebut juga dengan Reaksi Invarian. Reaksi ini memiliki jumlah fasa maksimum adalah tiga, dimana terdapat secara bersamaan dalam kondisi kesetimbangan pada sistem biner yang melibatkan larutan cairan. Reaksi Invarian Kedua disebut dengan Peritektik. Bentuk Generik dari Reaksi Peritektik adalah :

Arah panah pada persamaan di atas menyatakan bahwa terdapat 2 proses yang dapat digunakan, yaitu pendinginan dan pemanasan. Reaksi Invarian Ketiga adalah Reaksi Eutektoid. Reaksi ini melibatkan larutan padat. Bentuk generik dari Reaksi Eutektoid adalah sebagai berikut :

Seperti halnya penjelasan pada Reaksi Peritektik, persamaan diatas menyatakan bahwa terdapat 2 proses yang dapat digunakan, yaitu pemanasan dan pendinginan. Reaksi Invarian lainnya dapat dikelompokkan menjadi beberapa macam, yaitu :

v  Monotektik                

v  Peritektoid                 

v  Sintektik                     

Ketika satu fase padat berubah menjadi dua fasa padat selama pemanasan, disebut eutektoid. Lain halnya dengan eutektoid, Peritectoid merupakan suatu titik di mana dua fasa padat bergabung menjadi satu fase padat selama pemanasan.

            Dua fasa yang terdiri dari padat dan cair secara kolektif terkondensasi dikenal sebagai fase terkondensasi. Analisis kesetimbangan antara fase terkondensasi biasanya mengabaikan fase gas. Kombinasi fase terkondensasi termasuk cair-padat dan padat-padat. Banyak kristalografi bentuk padatan masing-masing dianggap sebagai tahap yang berbeda, jadi kesetimbangan ini menunjukkan cukup beragam. Subjek ini dikenal sebagai representasi diagram fase biner. Pada masing-masing contoh di atas, tujuannya adalah untuk menentukan konsentrasi. komponen A dan B dalam dua fase bersamaan. Dalam fase kental kesetimbangan, identifikasi stabil fase I dan II juga merupakan objektif.

            Komposisi kimia dua fasa terletak di dua ujung isoterm, atau garis hubung yang melalui daerah dua fasa. Sebagai gambaran, ambillah solder 80 Pb-20 Sn pada 150 derajat. Dengan bantuan isoterm lainnya, kita dapat menentukan komposisi kimia dua fasa dari sebarang paduan Pb-Sn pada sebarang suhu terkait.

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 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  4.4 berikut :

Gambar 4.4 Sistem Kordinat Segitiga Dalam Sistem Tiga Komponen

Gambar 4.5 adalah contoh diagram fasa 3 komponen cair- cair sistem aseton- air – eter pada 30 0C, 1 atm dengan koordinat persen mol . Daerah di bawah kurva adalah daerah 2 fasa yaitu air- aseton dan eter- aseton. Dalam gambar terlihat pada komposisi ekstrem air dapat bercampur sempurna dengan eter. Sedangkan aseton dapat bercampur homogen baik dengan air maupun eter.