3 mengenal sifat material 3

8/3/2019 3 Mengenal Sifat Material 3

1/102


2/102

Mengenal

Sifat Material (3)Oleh:Sudaryatno Sudirham & Ning

Utari

Open Course


3/102

Pengertian Dasar Thermodinamika Sistem Multifasa Difusi Oksidasi Korosi

Cakupan Bahasan


4/102

BAB 1

e n g e r t i a n D a s a r T h e r m o d i n a m i k


5/102

Thermodinamika merupakan cabang ilmupengetahuan yang mencakup permasalahan

transfer energi dalam skala makroskopis

Thermodinamika tidak membahas hal-halmikroskopis (seperti atom, molekul)

melainkan membahas besaran-besaranmakroskopis yang secara langsung dapat

diukur, seperti tekanan, volume, temperatur


6/102

Sistem dan Status Sistem


7/102

Sistem

mampu mengisolasisistemataupun

memberikan suatucara interaksi

tertentu antara

Sistem adalah obyekatau kawasan yang menjadiperhatian kitaKawasan di luar sistem disebut lingkungan

mungkin berupa sejumlahmateri atau suatu daerah yangkita bayangkan dibatasi oleh

suatu bidang batas

lingkung

an

siste

m

lingkungan

bidang batasbidang yang membatasisistem terhadaplingkungannya.


8/102

Dengan adanya bidang batas antara sistemdan lingkungannya, beberapa kemungkinan

bisa terjaditidak ada transfer

energi

tidak ada transfer

materi

Sistem

ada transfer energi

tidak ada transfermaterimassa sistem tidak berubah

ada transfermaterimassa sistem berubah

sistem

sistemterisolasi

sistem

sistemtertutup

energi

sistem terbukasiste

m

energi

materi


9/102

tidak dapat

dipengaruhi olehlingkungannya

Perubahan dalam sistem terisolasitidak dapat terus berlangsung

tanpa batas

siste

m

sistemterisolasi

Perubahan-perubahan dalamsistem mungkin saja terjadi

perubahan

temperaturperubahantekanan

Suatu saat akan tercapai kondisikeseimbangan internalyaitu kondisi di mana perubahan-perubahan dalam sistem sudah

tidak lagi terjadi

Sistem


10/102

menuju kekeseimbangan internal

keseimbangan eksternal.

sistem dapatberinteraksidengan

lingkungannyaperubahan dalam sistemdibarengi dengan

perubahan dilingkungannya.

Apabila keseimbangan telah tercapai, tidak lagiterjadi perubahan-perubahan di dalam sistem dan

juga tidak lagi terjadi transfer apapun antarasistem dengan lingkungannya

Sistem

sistem

sistemtertutup

energi


11/102

Status Sistem

Status thermodinamik sistemmerupakan spesifikasi

lengkap susunan dan sifatfisis suatu sistem.

Tidak semua peubahthermodinamik harus diukur guna

menentukan sifat sistem.

Sifat sistem ditentukan olehsatu set tertentu peubah-

peubah thermodinamik.

sudah dapat menentukanstatus sistem, walaupunjumlah itu hanya sebagiandari seluruh besaran fisisyang menentukan status.

sistem

Apabila jumlah

tertentu besaran fisisyang diukur dapatdigunakan untuk

menentukan besaran-besaran fisis yang lain

maka jumlahen ukuran tersebut


12/102

Jadi eksistensi sistem ditentukanoleh status-nya, sedangkanjumlah peubah yang perlu diukur

agar status sistem dapatditentukan tergantung dari sistem

itu sendiri.Pengukuran atau setpengukuran peubah yangmenentukan status tersebut

harus dilakukan dalamkondisi keseimbangan

Keseimbangan sistem tercapai apabilasemua peubah yang menetukan sifatsistem tidak lagi berubah.

Status Sistem

sistem


13/102

Energi


14/102

Energi

Energi Internal Sistem

Energi internal, E, adalah sejumlah energiyang merupakan besaran intrinsiksuatusistem yang berada dalam keseimbangan

thermodinamisEnergi internal merupakan fungsi statusPerubahan nilai suatu fungsistatus hanya tergantung dari nilai

awal dan nilai akhirdan tidak tergantung dari alurperubahan dari status awal

menuju status akhir

energ

i

eksterna

l Energienergi kinetik energi

potensialterkait gerak obyek terkait

dengan posisi ataukondisi obyek.

dapat dikonversi timbal balik

E i


15/102

Panas

Panas adalah salah satu bentuk energi

Panas bukanlah besaran intrinsiksistem.

Ia bisa masuk ke sistem dan juga bisa keluardari sistem.

Pada sistem tertutup, panas dapatmenembus bidang batas bila antara sistem

dan lingkungannya terdapat gradientemperatur.

sistemSejumlah panas dapat

ditransfer dari lingkunganke sistem

Sejumlah panas dapatditransfer dari sistem kelingkungan

q diberi tanda positif jika ia masuk ke sistem

q diberi tanda negatif jika ia keluar darisistem

Energi

E i


16/102

Kerja

Kerja adalah bentuk energi yang ditranfer

antara sistem dengan lingkungannya karenaada interaksi gaya antara sistem dan

lingkungannya.

sistem

Kerja, dengan simbol w, juga bukan besaran intrinsiksistem; bisa masuk ataupun keluar dari sistem

wdiberi tanda positif jika ia masuk ke sistem

wdiberi tanda negatif jika ia keluar dari sistem

Energi

E i


17/102

Energi

Konservasi Energi

Energi total sistem dan lingkungannyaadalah terkonservasiEnergi tidak dapat hilang begitu saja ataupundiperoleh dari sesuatu yang tidak ada;

namun energi dapat terkonversi dari satubentuk ke bentuk yang lain


18/102

Hukum Thermodinamika Pertama

danEnthalpi

H k Th di ik P t


19/102

Hukum Thermodinamika Pertama atau Hukum Kekekalan Energi

Perubahan neto dari energi internal adalah nolsebab jika tidak, akan menyalahi prinsip

konservasi energi.

sistem

sistemterisolasi

Jika status sistemberubah melalui alur

(cara) perubahantertentu, maka energi

internal sistem iniberubah.


E

status

A

B Sistem kembali padastatus semula melaluialur perubahan yang

berbeda energiinternal akan kembali

pada nilai awalnya

H k Th di ik P t


20/102

Perubahan energi internal, yang

mengikuti terjadinya perubahan statussistem, tidak tergantung dari alurperubahan status tetapi hanya tergantung

dari status awal dan status akhirSetiap besaran yang merupakanfungsi bernilai tunggal dari status

thermodinamik adalahfungsi status.

Perubahan nilai hanya tergantung darinilai awal dan nilai akhir


E th l i


21/102

Apabila hanya tekanan atmosfer yang bekerja pada

sistem, maka jika energi panas sebesardqmasukkesistem, energi internal sistem berubah sebesar

tekanan atmosferkonstan

perubahan volume sistem

kerja pada lingkunganPdVMembuat Pkonstan tidak sulit dilakukan. Membuat V

konstan sangat sulit

enthalpiPdan Vadalah peubah thermodinamik

yang menentukan status sistem,sedangkan Eadalah fungsi status, maka Hjuga fungsi bernilai tunggal dari status

Hjuga fungsi status

Enthalpi

Introduksi peubah baru, yangsudah memperhitungkan V

Enthalpi


22/102

Contoh-1.1.

Perubahan Enthalpi Pada Reaksi Kimia

Jika Hakhir> Hawalmaka H> 0Terjadi transfer energi ke sistem penambahan enthalpi padasistem

proses endothermisJika Hakhir< HawalmakaH< 0 Terjadi transfer energi kelingkungan enthalpi sistem berkurang

proses eksothermisDalam reaksi kimia,reagen (reactant) merupakan status

awal sistem hasil reaksi merupakan status akhir

sistem

Enthalpi

Enthalpi


23/102

Hukum Hess

Apabila suatu reaksi kimia merupakan jumlahdua atau lebih reaksi, maka perubahan enthalpi

total untuk seluruh proses merupakan jumlahdari perubahan enthalpi reaksi-reaksi

pendukungnya.

Hukum Hess merupakan konsekuensi darihukum kekekalan energi.

Hukum Hess terjadi karena perubahan enthalpiuntuk suatu reaksi adalah fungsi status, suatubesaran yang nilainya ditentukan oleh status

sistem.Perubahan enthalpi yang terjadi baik padaproses fisika maupun proses kimia tidak

tergantung pada alur proses dari status awal

ke status akhir

Enthalpi


24/102

ProsesReversible dan Irreversible

Proses Reversible dan Irreversible


25/102

Proses Reversible


Jika suatu sistem bergeser dari status

keseimbangannya, sistem ini menjalani suatu prosesdan selama proses berlangsung sifat-sifat sistem

berubah sampai tercapai keseimbangan status yangbaru.

Proses reversible merupakan suatu proses perubahanyang bebas dari desipasi (rugi) energi dan dapat

ditelusur balik dengan tepat.

Sulit ditemui suatu proses yang reversible namun jikaproses berlangsung sedemikian rupa sehingga

pergeseran keseimbangan sangat kecil maka prosesini dapat dianggap sebagai proses yang reversible

Proses reversible dianggap dapat berlangsung dalamarah yang berlawanan mengikuti alur proses yang

semula diikuti.Proses irreversible (tidak reversible) merupakan

proses yang dalam perjalanannya mengalami rugi(desipasi) energisehingga tidak mungkin ditelusur

balik secara tepat.

Proses Irreversible



26/102

Teorema Clausius


Dalam proses reversible

Dalam proses irreversible

Proses reversible merupakan proses yangpaling efisien, tanpa rugi (desipasi) energi

Proses irreversible memiliki efisiensi lebihrendah


27/102

Entropi

Hukum Thermodinamika Ke-duaHukum Thermodinamika Ke-tiga

Entropi


28/102

Entropi

Proses reversible

proses berlangsung dalamsatu siklus

Untuk proses reversible yang berjalan tidak penuhsatu siklus, melainkan berjalan dari statusA ke

status B dapat dituliskanqrev adalah panasyang masuk ke sistem

pada proses reversible.

Karena masuknya energi panas menyebabkan enthalpi

sistem meningkat sedangkan enthalpi merupakan fungsistatus maka

juga merupakan fungsistatus

S adalah peubah status yang disebutentropi

Hukum Thermodinamika Ke-dua


29/102


Proses reversible adalah yang

paling efisien

Tak ada rugienergi

Ada rugi energi

Proses yang umum terjadi adalaqh proses irreversiblePanas dq yang kita berikan ke sistem pada umumnya adalah dqir

Dengan pemberian panas, entropi sistem berubah

sebesardSsistem dan sesuai dengan definisinyamaka tanpa mempedulikanapakah proses yang

terjadi reversible atauirreversible



30/102

Dalam sistem tertutup, jika dq cukup kecil makapergeseran status yang terjadi di lingkungan akan

kembali ke status semula. Dengan mengabaikanperubahan-perubahan kecil lain yang mungkin jugaterjadi, proses di lingkungan dapat dianggapreversible. Perubahan entropi lingkungan menjadi

Perubahan entropi neto

yang akan bernilai positif jika proses yang terjadi

adalah proses irreversible karena dalam prosesirreversibledq < dqrev

Proses reversible hanya akan terjadi jika dSneto = 0




31/102

Karena proses spontan adalah prosesirreversible di mana dSneto > 0 maka

dalam proses spontan total entropi selalubertambah.

Ini adalah pernyataan HukumThermodinamika Kedua.


Suatuproses spontan terjadi secara alamiah.

Proses ini merupakan proses irreversible, karena jikatidak proses spontan tidak akan terjadi.

Kita ingat bahwa prosesreversible adalah proses

yang hampir tidak bergeserdari keseimbangannyaatau dengan kata lain tidakada perubahan yang cukupbisa diamati. Oleh karena

itu proses spontan tidak

Hukum Thermodinamika Ke-tiga


32/102

Atas usulan Planck, Nernst pada 1906 menyatakanbahwa pada temperatur 0 K entropi dari semua sistemharus sama. Konstanta universal ini di-set samadengan nol sehingga

Persamaan ini biasa disebut sebagai HukumThermodinamika Ke-tiga

Hukum Thermodinamika Ke-tiga

Persamaan ini memungkinkandilakukannya perhitungan nilai absolut

entropi dari suatu sistem dengan

membuat batas bawah integrasiadalah 0 K.

entropi Spada

temperaturTdari suatusistem adalah

Dengan mengingat relasidq = CPdT,

kapasitas panas pada tekanan konstan

Arah Reaksi Kimia


33/102

Reaksi spontan disebut jugaproduct-favoredreaction

Reaksi nonspontan disebut juga reactant-favored reaction

Pada umumnya, reaksi eksothermis yang terjadi pada temperatur kamar adalahreaksi spontan.

Energi potensial yang tersimpan dalam sejumlah (relatif) kecil atom / molekul reagenmenyebar ke sejumlah (relatif) besar atom / molekul hasil reaksi di tambah atom dan molekul

lingkungannya.Penyebaran energi lebih mungkin terjadi daripada pemusatan (konsentrasi) energi.

Arah Reaksi Kimia

Proses reaksi dari beberapa reagen menghasilkanhasil reaksi.

Jika CdominanterhadapA+B dalam

waktu yang tidak lama,maka reaksi tersebut

disebut reaksispontan

ApabilaA+B tetapdominan terhadap Cdalam waktu yang

lama, maka disebut

reaksi nonspontandiperlukan upaya tertentuagar diperoleh Cyang

dominan

Arah Reaksi Kimia


34/102

Di samping energi, materi yang sangat

terkonsentrasi juga cenderung untuk menyebarDengan demikian ada dua cara untuk suatu

sistem menuju kepada status yang lebih mungkinterjadi, yaitu1). melalui penyebaran energi ke

jumlah partikelyang lebih besar;

2). melalui penyebaran partikelsehingga susunan

partikel menjadi lebih acak.Dengan dua cara tersebut

ada empat kemungkinanproses

yang bisa terjadi

Arah Reaksi Kimia

Arah Reaksi Kimia


35/102

a). Jika reaksi adalah eksothermis dan susunan materi

menjadi lebih acak, maka reaksi ini merupakan reaksispontan pada semua temperatur.

b). Jika reaksi adalah eksothermis tetapi susunan materimenjadi lebih teratur, maka reaksi ini cenderungmerupakan reaksi spontan pada suhu kamar akan tetapimenjadi reaksi nonspontan pada temperatur tinggi. Hal iniberarti bahwa penyebaran energi dalam proses terjadinyareaksi kimia lebih berperan dibandingkan denganpenyebaran partikel

c). Jika reaksi adalah endothermis dan susunan materimenjadi lebih acak, maka reaksi ini cenderung merupakanreaksi nonspontan pada temperatur kamar tetapicenderung menjadi spontan pada temperatur tinggi.

d). Jika reaksi adalah endothermis dan susunan materimenjadi lebih teratur, maka tidak terjadi penyebaran

Karena reaksi spontan merupakan proses irreversible dimana terjadi kenaikan entropi maka kenaikan entropimenjadi pula ukuran/indikatorpenyebaran partikel

Arah Reaksi Kimia

Arah Reaksi Kimia


36/102

Kapasitas Panas dan Nilai Absolut Entropi

Konstanta Untuk Menetukan Kapasitas Panas Padatan [12].cal/mole/K

Material a b Rentang Temperatur K

Ag 5,09 2,04 298 titik leleh

AgBr 7,93 15,40 298 titik leleh

AgCl 14,88 1,00 298 titik lelehSiO2 11,22 8,20 298 848

Entropi Absolut Pada Kondisi Standarcal/mole derajat [12]

Material S Material S

Ag 10.20 0,05 Fe 6,49 0,03

Al 6,77 0,05 Ge 10,1 0,2

Au 11,32 0,05 Grafit 1,361 0,005

Intan 0,583 0,005 Si 4,5 0,05

Arah Reaksi Kimia


37/102

Energi Bebas

(free energies)

Energi Bebas


38/102

Kelvin memformulasikan bahwa padaumumnya alam tidak memperkenankan

panas dikonversikan menjadi kerja tanpadisertai oleh perubahan besaran yang lain.

Kalau formulasi Kelvin ini kita bandingkandengan pernyataan Hukum Thermodinamika

Ke-dua, maka besaran lain yang berubahyang menyertai konversi panas menjadi kerja

adalah perubahan entropi.

Perubahan neto entropi, yang selalumeningkat dalam suatu proses, merupakan

energi yang tidak dapat diubah menjadi kerja,atau biasa disebut energi yang tak dapat

Energi Bebas

Energi Bebas


39/102

Sesuai Hukum Thermodinamika Pertama, jikakita masukkan energi panas ke dalam sistem

dengan maksud untuk mengekstraknya menjadikerja maka yang bisa kita peroleh dalam bentuk

kerja adalah energi yang masuk ke sistemdikurangi energi yang tak bisa diperoleh, yang

terkait dengan entropi.

Karena mengubah energi menjadi kerja adalahproses irreversible, sedangkan dalam prosesirreversible entropi selalu meningkat, maka

energi yang tak dapat diperoleh adalah

TS

entropitemperatur

Energi yang bisa diperoleh disebut energi bebasyang diformulasikan oleh Helmholtzsebagai

Energi Bebas

Hemholtz Free Energy

Energi Bebas


40/102

Hemholtz Free Energy

e g ebas

Jika temperatur konstan dan tidak ada kerja yang

dilakukan oleh sistem pada lingkungan maupun darilingkungan pada sistem, maka

Karena

Jadi pada proses isothermal di mana tidakada kerja, energi bebas Helmholtz menurundalam semua proses alamiah dan mencapai

nilai minimum setelah mencapaikeseimbangan

Energi Bebas


41/102

g

Gibbs mengajukan formulasi energi bebas, yang

selanjutnya disebut energi bebas Gibbs (Gibbs FreeEnergy), G, dengan memanfaatkan definisi enthalpi

tekanan atmosfer

Jika tekanan dan temperatur konstan (yang tidakterlalu sulit untuk dilakukan), maka

Pada proses irreversibleJadi jika temperatur dan tekanandibuat konstan, energi bebas Gibbmencapai minimum pada kondisikeseimbangan

Gibbs Free Energy


42/102

BAB 2

S i s t e m M u l t i f a s a


43/102

Pengertian-Pengertian

Pengertian-Pengertian


44/102

g g

Fasa

Fasa adalah daerah materi darisuatu sistem yang secara fisisdapat dibedakan dari daerah

materi yang lain dalam sistemtersebut

memiliki struktur atom dansifat-sifat sendiri

dapat dipisahkan secara

mekanis

sistem satu-fasa

&

sistem multi-fasa

Homogenitas

Dalam keseimbangan,setiap fasa adalah homogen

Komponen Sistem

Komponen sistem adalahunsur atau senyawa yangmembentuk satu sistem.

sistem komponen-tunggalsistem multi-komponen.

Diagram KeseimbanganDiagram keseimbangan merupakan diagram di mana kita

bisa membaca fasa-fasa apa saja yang hadir dalam

keseimbangan pada berbagai nilai peubah thermodinamik

Derajat Kebebasan

Derajat kebebasan (degree of freedom) didefinisikansebagai jumlah peubah thermodinamik yang dapatdivariasikan secara tidak saling bergantungan tanpa

mengubah jumlah fasa yang berada dalam keseimbangan.


45/102

Larutan Padat

Larutan Padat


46/102

Larutan Padat

Atom atau molekul dari satukomponen terakomodasi didalam struktur komponen

yang lain

Larutan padat bisa terjadisecara

subsitusionalinterstisial

Derajat kelarutan

Berbagai derajat kelarutan bisa terjadi

Dua komponen dapat membentuklarutan menyeluruh (saling melarutkan)

jika status keseimbanganthermodinamik dari sembarang

komposisidari keduanya membentuksistem satu fasa.

Hanya larutan substitusional yang

dapat mencapai keadaan ini.

Kaidah Hume-RotheryPerbedaan ukuran atom pelarut dan atom terlarut < 15%.

Struktur kristal dari komponen terlarut sama dengan

komponen pelarut.Elektron valensi zat terlarut dan zat pelarut tidak berbedalebih dari satu.

Elektronegativitas zat terlarut dan pelarut kurang-lebihsama, agar tidak terjadi senyawa sehingga larutanyang terjadi dapat berupa larutan satu fasa.

Larutan Padat


47/102

Enthalpi Larutan

Pada reaksi kimia:

Jika Hakhir> Hawal H> 0 penambahan enthalpipada sistem (endothermis)

Jika Hakhir< Hawal enthalpi sistem berkurang(eksothermis).

Dalam peristiwa pelarutan terjadi hal yang mirip yaituperubahan enthalpi bisa negatif bisa pula positif

HB

HA

A BxB

Hlarutan

HB

HA

A BxB

Hlaru

tan

s e b e l u m p e l a r u t a n HB

HA

A BxB

Hlarutan

s e b e l u m p e l a r u t a n

Hlarutan < sebelumpelarutan untuksemua komposisi

Hlarutan > sebelumpelarutan untuksemua komposisi

Hlarutan =sebelum

pelarutan; ini

keadaan ideal

Larutan Padat


48/102

Entropi Larutan

Entropi dalam proses irreversible akan meningkat. entropi larutan akan lebih tinggi dari entropi masing-masing komponensebelum larutan terjadi, karena pelarutan merupakan prosesirreversible. jika SA adalah entropi komponen A tanpa kehadiran B, dan SB adalahentropi komponen B tanpa kehadiran A, maka


SSB

SA

A BxB

S0

A BxB

S

Entropipelarutan

Sesudah Sebelum

entropi sesudahpelarutan > sebelum

pelarutan

Larutan Padat


49/102

Energi Bebas Larutan

Larutan satu fasa yang stabil akan terbentuk jika dalampelarutan itu terjadi penurunan energi bebas.

HB

HA

A BxB

Hlarutan

s e b e l u m p e l a r u t a nHB

HA

A BxB

Hlarutan


GH

A BxB

Hlarutan

Glarutan

x1 A BxB

GGlarutan

x1 x2

+

Larutan satu

fasa

Larutanmultifasa antara

komposisi


50/102

Kaidah Fasa dari Gibbs

Kaidah Fasa Gibbs


51/102

Jumlah fasa yang

hadir dalamkeseimbangandalam satusistem

Sistem satu-fasa (F= 1) komponen tunggal (K =1) yang dlam keseimbangan akan memiliki 2derajat kebebasan.

Sistem dua fasa (F= 2) komponen tunggal (K =1) yang dalam keseimbangan memiliki 1 derajatkebebasan.

Sistem tiga fasa (F = 3) komponen tunggal (K =1) yang dalam keseimbangan akan berderajatkebebasan 0 dan invarian.

jumlah derajatkebebasan

jumlah minimumkomponen yangmembentuk sistem


52/102

Diagram Keseimbangan FasaSistem Komponen Tunggal

Diagram Keseimbangan, Sistem Komponen Tunggal


53/102

Sistem Komponen Tunggal: H2O

Karena K= 1 maka komposisi tidak menjadi peubah

T

P

A

DC

B

cair

padat

uap

ab

c

F = 1

D =2tekananP

dan

temperaturT



54/102

T

P

A

D C

B

cair

padat

uap

ab

c

F = 2

D= 1tekanan :

Patau

temperatur: T

Titik Tripel

Sistem Komponen Tunggal: H2O

F = 3

D= 0invarian



55/102

Alotropi(allotropy)

Alotropi: keberadaan satu macam zat (materi)

dalam dua atau lebih bentuk yang sangatberbeda sifat fisis maupun sifat kimianya.

perbedaan struktur kristal,perbedaan jumlah atom dalam molekul,perbedaan struktur molekul.

910

1400

1539ToC

(BCC)

(FCC)

(BCC)

cair

10-12 10-8 10-4 1 102atm

uap

A

B

C

Besi



56/102

Kurva Pendinginan

(BCC)

(FCC)

(BCC)

cair

910

1400

1539

ToC

t

cair+ +

+(BCC)

(FCC)

(BCC)

cair

910

1400

1539

T[oC]

cair+

+

+

temperaturkonstan padawaktu terjadi

peralihan



57/102

Energi Bebas

FCC

BCC

BC

C

T[oC]

910

1400

1539

G

Besi


58/102

Diagram Keseimbangan FasaSistem Biner

Diagram Keseimbangan, Sistem Biner


59/102

Sistem Biner Dengan Kelarutan Sempurna

TA

T

B

A BxB

xcf xca x0 xpfxpa

a

b

d

cl i q u i d u s

s o l i d u s

T

A BxB

x1 x2 x3

c a i rc a i r + p a d a t

p a d a t

a) b)

Karena K= 2 maka komposisi menjadi peubah



60/102

Sistem Biner Dengan Kelarutan Terbatas

Diagram Eutectic Biner

titik leleh A

a

b

A BxB

Te

+

+L

Cair (L)

L+

liqui

dus

liquidus

soli

dus

so

lv

u

s

c

d

x 1 xe x0 xc xexe

x

e

T

TA

TB

titik leleh B



61/102

Sistem Biner Dengan Kelarutan Terbatas

Diagram PeritecticBiner

Tp

a

b

TT

A

A B

xB

liquidus

solid

us

so

lv

u

s

sol

vus

solidus

+L

cair (L)

+L

+

x 1 xp x0 xpxlp

TB

c p

titik leleh A

titik leleh B


62/102

BAB 3

D i f u s i


63/102

Difusi adalah peristiwa di mana terjadi

tranfer materi melalui materi lain.

Transfer materi ini berlangsung karenaatom atau partikel selalu bergerak oleh

agitasi thermal. Walaupun sesungguhnyagerak tersebut merupakan gerak acak tanpaarah tertentu, namun secara keseluruhan

ada arah neto dimana entropi akanmeningkat

proses irreversible


64/102

Analisis Matematis

Difusi, Analisis Matematis


65/102

Kondisi Mantap

D adalah koefisiendifusi, dC/dxadalahvariasi konsentrasidalam keadaanmantap di mana C0dan Cxbernilaikonstan

Hukum Fick Pertama

xa x

Ca

Cx

materi masuk dixa

materi keluar dix

x



66/102

Kondisi Transien

Hukum Fick Ke-dua

Jika D tidaktergantung padakonsentrasi maka

xa x

Ca

Cx2

materi masuk dixa

materi keluar dix

xCx0=0Cx1

t2

t1

t=0



67/102

Persamaan ArrheniusPersamaan Arrhenius adalahpersamaan yang menyangkut

laju reaksi

Q : energi aktivasi(activation energy),R: gas (1,98 cal/mole K),T : temperatur absolut K,

k : konstanta laju reaksi (tidaktergantung temperatur).

Dari hasil eksperimendiketahui bahwakoefisien difusi D

berbentuk samadengan

persamaanArrhenius

Koefisien Difusi


68/102

Macam Difusi

Difusi, Macam Difusi


69/102

1.Difusi VolumeDifusi volume (volume diffusion)

adalah transfer materi menembusvolume materi lain

2. Difusi Bidang Batas 3. Difusi Permukaan

permu

ka

an retakan

permu

kaa

n

bidang batasbutiran


70/102

Efek Hartley-Kirkendall

Difusi, Efek Hartley-Kirkendal


71/102

Efek Hartley-Kirkendal menunjukkan bahwa difusitimbal balikdalam alloy biner terdiri dari dua jenispergerakan materi yaitu

A menembus B dan

B menembus A.

Analisis yang dilakukan oleh Darken menunjukkanbahwa dalam proses yang demikian ini koefisiendifusi terdiri dari dua komponen yang dapatdinyatakan denganXA danXB adalah fraksi molar

dari A dan B,DA adalah koefisien difusi Bmenembus A,

DB adalah koefisien difusi A

menembus B


72/102

Difusi dan

Ketidaksempurnaan Kristal

Difusi, Ketidaksempurnaan Kristal


73/102

Kekosongan posisi pada kristal hadir dalamkeseimbangan thermodinamis

Padatan menjadi campuran antara kekosongan danisian.

Sebagai gambaran, Ev= 20 000 cal/mole,

pada 1000K ada satu kekosongan dalam 105 posisiatom.

energi yang diperlukanuntuk membuat satu

posisi kosongjumlah posisi

kosong

total seluruh posisi



74/102

Dalam kenyataan padatan mengandung pengotoranyang dapat melipatgandakan jumlah kekosongan,

mempermudah terjadinya difusi.

Selain migrasi kekosongan, migrasi interstisial dapatterjadi apabila atom materi yang berdifusi berukurancukup kecil dibandingkan dengan ukuran atommaterial yang ditembusnya



75/102

Ketidak-sempurnaan Frenkel dan Schottky tidakmengganggu kenetralan listrik, dan kristal tetap dalam

keseimbangan thermodinamis.

konsentrasi ketidak-sempurnaankd= 1 untuk ion interstisialkd> 1 untuk kekosongan

Ketidak-sempurnaan mana yang akan terjaditergantung dari besar energi yang diperlukanuntuk membentuk kation interstisial ataukekosongan anion.

Pada kristal ionik konduktivitas listrikpadatemperatur tinggiterjadi karena difusi ion dan

hampir tidak ada kontribusi elektron. Olehkarena itu konduktivitas listrik sebandingdengan koefisien difusi.

Frenkel Schottky

konduktivitas listrik oleh konduksi ion

faktor yang tergantung darimacam ketidak-sempurnaan.muatan ketidak-sempurnaan

Difusi, Polimer dan Silikat


76/102

Difusi Dalam Polimer Dan Silikat

Dalam polimer, difusi terjadi

dengan melibatkan gerakanmolekul panjang. Migrasi atomyang berdifusi mirip seperti yangterjadi pada migrasi interstisial.Namun makin panjang molekul

polimer gerakan makin sulitterjadi, dan koefisien difusi makinrendah.Pada silikat, ion silikon biasanyaberada pada posisi sentral tetrahedrondikelilingi oleh ion oksigen

Ion positif alkali dapat menempati posisi antar tetrahedra

dengan gaya coulomb yang lemah. Oleh karena itu natriumdan kalium dapat dengan mudah berdifusi menembus silikat

Selain itu ruang antara pada jaringan silikat tiga dimensimemberi kemudahan pada atom-atom berukuran kecil seperti

hidrogen dan helium untuk berdifusi dengan cepat.


77/102

BAB 4

O k s i d a s i d a n K o r o s i


78/102

Oksidasi

Oksidasi


79/102

Reaksi reduksi: reaksi di mana oksigen dilepaskandari suatu senyawaUnsur yang menyebabkan terjadinya reduksi disebutunsurpereduksi.

Berikut ini kita akan melihat peristiwaoksidasi melalui pengertian thermodinamika.

Oksidasi: reaksi kimia di mana oksigen tertambahkanpada unsur lain

Unsur yang menyebabkan terjadinya oksidasi disebutunsurpengoksidasi

Reaksiredoks (redox reaction): reaksi dimanasatu

materi teroksidasi dan materi yang lain tereduksi.

Tidak semua reaksi redoks melibatkanoksigen. Akan tetapi semua reaksi redoks

melibatkan transfer elektronReagen yang kehilanganelektron, dikatakan sebagai

teroksidasi

Reagen yang memperolehelektron, dikatakan sebagaitereduksi


80/102

Proses Oksidasi

Oksidasi, Proses Oksidasi


81/102

Kecenderungan metal untuk bereaksi dengan oksigendidorong oleh penurunan energi bebas yang mengikuti

pembentukan oksidanyaEnergi Bebas Pembentukan Oksida pada500K dalam Kilokalori.[12].Kalsium -138,2 Hidrogen -58,3

Magnesium -130,8 Besi -55,5

Aluminium -120,7 Kobalt -47,9

Titanium -101,2 Nikel -46,1

Natrium -83,0 Tembaga -31,5

Chrom -81,6 Perak +0,6

Zink -71,3 Emas +10,5

Kebanyakan unsur yang tercantum dalam tabel ini memiliki energibebas pembentukan oksida bernilai negatif, yang berarti bahwaunsur ini dengan oksigen mudah berreaksi membentuk oksida



82/102

Lapisan Permukaan Metal

Energi bebas untuk pembentukan oksida pada perakdan emas bernilai positif. Unsur ini tidak membentukoksida.

Namun material ini jika bersentuhan dengan udara

akan terlapisi oleh oksigen; atom-atom oksigen terikatke permukaan material ini dengan ikatan lemah van derWaals; mekanisme pelapisan ini disebut adsorbsi.

Pada umumnya atom-atom di permukaan materialmembentuk lapisan senyawa apabila bersentuhan

dengan oksigen. Senyawa dengan oksigen inibenar-benar merupakan hasil proses reaksi kimia

dengan ketebalan satu atau dua molekul;pelapisan ini mungkin juga berupa lapisan oksigen

satu atom yang disebut kemisorbsi(chemisorbtion).



83/102

Rasio Pilling-Bedworth

Lapisan oksida di permukaan metal bisa berpori

(misalnya dalam kasus natrium, kalium, magnesium)bisa pula rapat tidak berpori (misalnya dalam kasusbesi, tembaga, nikel).

M: berat molekul oksida (dengan rumusMaOb),D: kerapatan oksida,

a : jumlah atom metal per molekul oksida,m : atom metal,d: kerapatan metal.

Jika < 1, lapisan oksida yang terbentuk akan berpori.Jika 1 , lapisan oksida yang terbentuk adalah rapat,

tidak berpori.>> -

Muncul atau tidak munculnya pori pada lapisan oksidaberkorelasi dengan perbandingan volume oksida yang

terbentuk dengan volume metal yang teroksidasi.

Perbandingan ini dikenal sebagai Pilling-BedworthRatio:


84/102

Penebalan Lapisan Oksida

Oksidasi, Penebalan Lapisan Oksida


85/102

a). Jika lapisan oksida yang pertama-tama terbentuk

adalah berpori, maka molekul oksigen bisa masukmelalui pori-pori tersebut dan kemudian bereaksi denganmetal di perbatasan metal-oksida. Lapisan oksidabertambah tebal.

metal oksigen

menembuspori-pori

lapisan

oksidaberpori

daerahterjadinya

oksidasi lebihlanjut

Situasi ini terjadi jika

rasio volume oksida-metal kurang dari satu.Lapisan oksida inibersifat non-protektif,tidak memberikan

perlindungan padametal yang dilapisinyaterhadap prosesoksidasi lebih lanjut.



86/102

b). Jika lapisan oksida tidak berpori, ion metal bisaberdifusi menembus lapisan oksida menuju bidangbatas oksida-udara; dan di perbatasan oksida-udara inimetal bereaksi dengan oksigen dan menambah teballapisan oksida yang telah ada.

metalM+e

lapisanoksidatidak

berpori

daerah terjadinya oksidasilebih lanjut

Ion logamberdifusi

menembus oksidaElektron

bermigrasi darimetal kepermukaan oksida

Proses oksidasi berlanjut

di permukaan. Dalam halini elektron bergerakdengan arah yang samaagar pertukaran elektrondalam reaksi ini bisa

terjadi.



87/102

c). Jika lapisan oksida tidak berpori, ion oksigen dapatberdifusi menuju bidang batas metal-oksida dan

bereaksi dengan metal di bidang batas metal-oksida.

metal

e

lapisanoksidatidak

berpori

daerah terjadinya oksidasi

lebih lanjut

Ion oksigen

berdifusimenembus oksidaElektron

bermigrasi darimetal ke

permukaan oksida

O2

Elektron yangdibebaskan daripermukaan logam

tetap bergerak kearah bidang batasoksida-udara. Prosesoksidasi berlanjut diperbatasan metal-oksida.d). Mekanisme lain yang mungkin terjadi adalah

gabungan antara b) dan c) di mana ion metal danelektron bergerak ke arah luar sedang ion oksigenbergerak ke arah dalam. Reaksi oksidasi bisa terjadi di

dalam lapisan oksida.



88/102

Terjadinya difusi ion, baik ion metal maupunion oksigen, memerlukan koefisien difusi

yang cukup tinggi. Sementara itu gerakanelektron menembus lapisan oksidamemerlukan konduktivitas listrik oksida yangcukup tinggi pula. Oleh karena itu jika lapisanoksida memiliki konduktivitas listrik rendah,

laju penambahan ketebalan lapisan jugarendah karena terlalu sedikitnya elektron

yang bermigrasi dari metal menujuperbatasan oksida-udara yang diperlukanuntuk pertukaran elektron dalam reaksi.

Jika koefisien difusi rendah, pergerakan ionmetal ke arah perbatasan oksida-udara akan

lebih lambat dari migrasi elektron. Penumpukan

ion metal akan terjadi di bagian dalam lapisanoksida dan penumpukan ion ini akanmenghalangi difusi ion metal lebih lanjut.

Koefisien difusi yang rendah dan konduktivitaslistrik yang rendah dapat membuat lapisan

oksida bersifatprotektif, menghalangi proses

L j P b l L i Ok id



89/102

Laju Penebalan Lapisan Oksida

Jika lapisan oksida berpori dan ion oksigen mudahberdifusi melalui lapisan oksida ini, maka oksidasi dipermukaan metal (permukaan batas metal-oksida) akanterjadi dengan laju yang hampirkonstan. Lapisanoksida ini nonprotektif.

dan

Jika lapisan oksida bersifatprotektif, transfer ion danelektron masih mungkin terjadi walaupun denganlambat. Dalam keadaan demikian ini komposisi di kedua

sisi permukaan oksida (yaitu permukaan batas oksida-metal dan oksida-udara) bisa dianggap konstan. Kitadapat mengaplikasikan Hukum Fick Pertama, sehinggadan

Jikax: ketebalan lapisan oksida maka



90/102

Jika lapisan oksida bersifat sangat protektifdengankonduktivitas listrik yang rendah, maka

A, B, dan Cadalah konstan. Kondisi ini berlaku jikaterjadi pemumpukan muatan (ion, elektron) yangdikenal dengan muatan ruang, yang menghalangigerakan ion dan elektron lebih lanjut.Agar lapisan oksida menjadi protektif, beberapa halperlu dipenuhi oleh lapisan ini.Ia tak mudah ditembus ion, sebagaimana;Ia harus melekat dengan baik ke permukaan metal;

adhesivitas antara oksida dan metal ini sangatdipengaruhi oleh bentuk permukaan metal, koefisienmuai panjang relatif antara oksida dan metal, lajukenaikan temperatur relatif antara oksida dan metal;temperatur sangat berpengaruh pada sifat protektif

oksida.

Oksidasi Selektif



91/102

Oksidasi Selektif

Oksidasi Selektif. Oksidasi selektif terjadi pada

larutan biner metal di mana salah satu metal lebihmudah teroksidasi dari yang lain. Peristiwa ini terjadijika salah satu komponen memiliki energi bebas jauhlebih negatif dibanding dengan komponen yang laindalam pembentukan oksida. Kehadiran chrom dalam

alloy misalnya, memberikan ketahanan lebih baikterhadap terjadinya oksidasiOksidasi Internal.Dalam alloy berbahan dasartembaga dengan kandungan alluminium bisa terjadioksidasi internal dan terbentuk Al2O3 dalammatriksnya. Penyebaran oksida yang terbentuk itumembuat material ini menjadi keras.Oksidasi Intergranular. Dalam beberapa alloy oksidasi

selektif di bidang batas antar butiran terjadi jauhsebelum butiran itu sendiri teroksidasi. Peristiwa inmembuat berkurangnya luas penampang metal yangmenyebabkan penurunan kekuatannya.Oksidasi selektif bisa memberi manfaat bisa

pula merugikan.


92/102

Korosi

Korosi


93/102

Korosi Karena Perbedaan Metal Elektroda

hubungan listrik

katodaanoda

elektrolit

M1 M2

Peristiwa korosi ini merupakan peristiwa elektro-kimia,

karena ia terjadi jika duametal berbeda yang salingkontak secara listrik berada dalam lingkungan elektrolit

perbedaan Gyang terjadi apabilakedua metal terionisasi dan

melarutkan ion dari permukaanmasing-masing ke elektrolit dalamjumlah yang ekivalen

Jika G < 0 M1 elektron mereduksi ion M2

M1 mengalami korosiBeda tegangan muncul antara M1dan M2

Korosi


94/102

dapat dipandang sebagai dua kali setengah-

reaksi dengan masing-masing setengah-reaksiadalah

Reaksi

dengan

dengan

1 mole metal mentransfer 1 mole elektron 96.500coulomb

Angka ini disebut konstanta Faraday, dan diberi simbolF.

perubahan G adalah negatif jika teganganVpositif

perubahan energibebas

tegangan antara M1 danM2 (dalam volt)

Korosi


95/102

Dengan pandangan

setengah reaksi,tegangan antaraanoda M1 dan katodaM2 dapat dinyatakansebagai jumlah daripotensial setengahreaksi. Potensialsetengah reaksimembentuk deret

yang disebut deretemf(electromotiveforce series).

Deret emf Deret emf pada 25o C, volt. [12].Reaksi Elektroda Potensial Elektroda

NaNa+ + e + 2,172

MgMg+2 + 2e + 2,34

AlAl+3 + 3e + 1,67

ZnZn+2 + 2e + 0,672

CrCr+3 + 3e + 0,71

FeFe+2 + 2e + 0,440

NiNi+2 + 2e + 0,250

SnSn+2 + 2e + 0,136

PbPb+2 + 2e + 0,126

H22H+ + 2e 0,000

CuCu+2 + 2e 0,345

CuCu+ + e 0,522AgAg+ + e 0,800

PtPt+2 + 2e 1,2

AuAu+3 + 3e 1,42

AuAu+ + e 1,68

basis

Korosi


96/102

Korosi Karena Perbedaan Konsentrasi Ion Dalam Elektrolit

dua metal samatercelup dalam elektrolit dengan

konsentrasi berbeda

G per mole tergantung dari

konsentrasi larutan.Anoda melepaskan iondari permukaannya ke

elektrolit danmemberikan elektronmereduksi ion pada

katoda

membran katodaanoda Fe Fe

Fe+2

Fe+2

membran untuk memisahkan elektrolitdi mana anoda tercelup dengan

elektrolit di mana katoda tercelupagar perbedaan konsentrasi dapat

dibuat Korosi


97/102

Dalam praktik, tidak harus ada membran

Perbedaan kecepatan aliran fluida padasuatu permukaan metal dapatmenyebabkan terjadinya perbedaan

konsentrasi ion pada permukaan metaltersebut

Kecepatan fluida di bagiantengah cakram lebih rendahdari bagian pinggirnya

Konsentrasi ion di bagiantengah lebih tinggi

dibandingkan dengan bagianpinggir

Bagian pinggir akan menjadianoda dan mengalami korosi

cakramlogam

berputar

fluida

Contoh

Korosi


98/102

Korosi Karena Perbedaan Kandungan Gas Dalam Elektrolit

Apabila ion yang tersedia untuk

proses sangat minim, kelanjutanproses yang terjadi tergantungdari keasaman elektrolit

H hasil reduksi menempel dan melapisipermukaan katoda; terjadilah

polarisasipada katoda.

Polarisasi menghambat prosesselanjutnya dan menurunkan V.

Namun pada umumnya atom hidrogenmembentuk molekul gas hidrogen dan

terjadi depolarisasikatoda.

Elektrolit bersifat asamion hidrogen pada katoda

akan ter-reduksi

terjadi reaksi

konsentrasi oksigen menurun konsentrasi ion OH di permukaan

katoda meningkat terjadipolarisasikatoda transfer

elektron dari anoda ke katoda menurun

dan Vjuga menurun

Elektrolit bersifat basa ataunetral

OH terbentuk dari oksigenyang terlarut dan air

Depolarisasikatoda dapat terjadi jikakandungan oksigen di sekitar katoda

bertambah melalui penambahan oksigendari luar

membran katodaanoda Fe Fe

O2 O2

Korosi


99/102

Dalam praktik, perbedaankandungan oksigen ini terjadimisalnya pada fluida dalam tangki

metal

Permukaan fluida bersentuhan

langsung dengan udara sehinggaterjadi difusi gas melalui permukaan

fluida.

Kandungan oksigen di daerah

permukaan menjadi lebih tinggi daridaerah yang lebih jauh daripermukaan

Dinding metal di daerah permukaanfluida akan menjadi katoda

Breather valve

Korosi


100/102

Korosi Karena Perbedaan Stress

Yang mendorong terjadinya korosi adalahperubahan energi bebas

Apabila pada suhu kamar terjadi deformasipadasebatang logam (di daerah plastis), bagian yang

mengalami deformasi akan memiliki energi bebaslebih tinggi dari bagian yang tidak mengalami

deformasi.

Bagian metal di mana terjadi konsentrasi stressakan menjadi anoda dan bagian yang tidak

mengalami stress menjadi katoda.

Korosi


101/102

Kondisi Permukaan Elektroda

Proses korosi melibatkan aliran elektron, atau arus

listrik.Jika permukaan katoda lebih kecil dari anoda, makakerapatan arus listrik di katoda akan lebih besar darikerapatan arus di anoda. Keadaan ini menyebabkan

polarisasi katoda lebih cepat terjadi danmenghentikan aliran elektron; proses korosi akanterhenti.

Jika permukaan anoda lebih kecil dari katoda,kerapatan arus di permukaan katoda lebih kecil dari

kerapatan arus di anoda. Polarisasi katoda akanlebih lambat dan korosi akan lebih cepat terjadi.

Terbentuknya oksida yang bersifat protektif akanmelindungi metal terhadap proses oksidasi lebih

lanjut. Lapisan oksida ini juga dapat melindungi metalterhadap terjadinya korosi.

Ketahanan terhadap korosi karena adanyaperlindungan oleh oksida disebutpasivasi. Pasivasi

ini terjadi karena anoda terlindung oleh lapisan

permukaan yang memisahkannya dari elektrolit.

Courseware


102/102

Mengenal Sifat Material (3)

Sekian

Terimakasih

3 mengenal sifat material 3

Documents