Kesetimbangan fase adalah studi tentang kondisi (suhu, tekanan, komposisi) di mana fase materi yang berbeda hidup berdampingan dalam kesetimbangan termodinamika. Diagram fase menyediakan representasi grafis dari hubungan ini dan merupakan alat penting dalam ilmu material, kimia, dan teknik.
Fase dan Transisi Fase
Fase adalah wilayah materi yang homogen dengan sifat fisik dan kimia yang seragam, dengan tiga fase utama adalah padat, cair, dan gas. Transisi fase meliputi peleburan (padat ke cair), pembekuan (cair ke padat), penguapan (cair ke gas), kondensasi (gas ke cair), sublimasi (padat ke gas), dan deposisi (gas ke padat). Selama transisi fase pada tekanan konstan, suhu tetap konstan saat panas diserap sebagai panas laten atau entalpi perubahan fase.
Aturan Fase Gibbs
Aturan fase menghubungkan jumlah fase (P), komponen (C), dan derajat kebebasan (F): F = C - P + 2. Derajat kebebasan (F) adalah jumlah variabel intensif (T, P, komposisi) yang dapat diubah secara independen tanpa mengubah jumlah fase. Untuk sistem satu komponen (C = 1), F = 3 - P, sehingga pada titik tripel (P = 3), F = 0 (invarian); di sepanjang batas fase (P = 2), F = 1 (univarian); dan dalam satu fase (P = 1), F = 2 (bivarian).
Diagram Fase Satu Komponen
Diagram fase untuk air menunjukkan tiga fase: es (padat), air cair, dan uap (gas), dan batas padat-cair memiliki kemiringan negatif karena kerapatan es yang lebih rendah dibandingkan air cair. Diagram fase untuk karbon dioksida memiliki batas padat-cair positif, dan titik tripel berada pada 5,11 atm dan -56,6°C; CO2 menyublim pada tekanan atmosfer. Titik kritis menandai suhu dan tekanan di atas mana fase cair dan gas menjadi tidak dapat dibedakan, membentuk fluida superkritis — untuk air, Tc = 374°C dan Pc = 218 atm, sedangkan untuk CO2, Tc = 31°C dan Pc = 73 atm.
Persamaan Clausius-Clapeyron
Persamaan Clausius-Clapeyron menggambarkan ketergantungan suhu dari tekanan uap: dP/dT = ΔH/TΔV, di mana ΔH adalah entalpi penguapan dan ΔV adalah perubahan volume. Untuk kesetimbangan cair-uap, bentuk terintegrasi adalah ln(P2/P1) = -ΔHvap/R × (1/T2 - 1/T1). Persamaan ini digunakan untuk menghitung entalpi penguapan dari pengukuran tekanan uap pada suhu yang berbeda.
Diagram Fase Biner
Diagram suhu-komposisi (T-x) menunjukkan perilaku fase campuran dua komponen sebagai fungsi komposisi pada tekanan konstan. Larutan ideal mengikuti Hukum Raoult: Pi = x_iPi*, di mana Pi adalah tekanan parsial komponen i, x_i adalah fraksi molnya, dan Pi* adalah tekanan uapnya; penyimpangan positif menunjukkan interaksi A-B yang lebih lemah, sedangkan penyimpangan negatif menunjukkan interaksi A-B yang lebih kuat. Sistem eutektik memiliki titik eutektik, yang merupakan komposisi lebur terendah dalam sistem biner — campuran eutektik melebur pada suhu tunggal lebih rendah dari kedua komponen murni, dan untuk NaCl/H2O komposisi eutektik adalah 23,3% NaCl pada -21,1°C. Sistem azeotropik adalah campuran cair yang mendidih pada komposisi konstan; etanol-air membentuk azeotrop didih-minimum pada 95,6% etanol (78,2°C), sedangkan asam nitrat-air membentuk azeotrop didih-maksimum.
Kesetimbangan Cair-Cair dan Padat-Cair
Cairan yang sebagian dapat bercampur seperti air dan fenol menunjukkan suhu kritis larutan atas (UCST) di atas mana kedua cairan sepenuhnya dapat bercampur. Diagram fase cair-cair juga dapat menunjukkan suhu kritis larutan bawah (LCST), seperti yang terlihat dalam air-trietilamina dan larutan polimer. Diagram fase padat-cair untuk sistem eutektik digunakan dalam metalurgi untuk memahami perilaku paduan dan dalam farmasi untuk merancang kokristal farmasi.
Fluida Superkritis
Di atas suhu dan tekanan kritis, zat ada sebagai fluida superkritis dengan sifat antara cairan dan gas — kerapatan mendekati cairan dan viskositas mendekati gas. CO2 superkritis banyak digunakan untuk dekafeinasi kopi, ekstraksi minyak esensial, dan sebagai pelarut dalam kimia hijau. Air superkritis digunakan untuk gasifikasi biomassa dan penghancuran limbah karena sifat solvasi uniknya.
