Kuliah23

HUKUM FASA

Bilangan fasa (P), Bilangan Komponen (C) dan Varian (F) berhubungan dalam satu persamaan yang dinamakan HUKUM FASA:

F + P = C + 2

F = C + 2 - P

Persamaan fasa diterbitkan secara termodinamik

Bagi sistem SATU komponen, C = 1
Dengan demikian F = 1+2-P = 3 - P

Dalam kawasan satu fasa (misalnya, titik-titik A, C, dan E) bilangan fasa adalah satu,
Jadi, F = 3-1 = 2 (Sistem BIVARIAN - sebarang titik di dalam kawasan dan ditakrifkan oleh dua parameter, i.e. tekanan dan suhu)

Bagi kawasan dua fasa (Misanya titik B dan D
F = 3-2 = 1 (Sistem UNIVARIAN - titik-titik di sepanjang garisan. Cukup ditakrifkan dengan satu parameter sahaja SAMA ADA Tekanan ATAU suhu. Jika tekanan ditakrifkan (pada ordinat sebagai pemboleh ubah bebas), maka suhu tertakrif (di absisa sebagai pembolehubah tak bebas). Sebaliknya, jika suhu ditakrifkan di absisa sebagai pemboleh ubah bebas, maka tekanan tertakrif di ordinat sebagai pembolehubah tak bebas)

Bagi titik tripel, tiga fasa berada dalam keseimbangan
Jadi, F = 3-3 = 0 (Sistem INVARIAN - Satu titik tunggal sahaja - dalam kes ini, titik O (4 torr, 0.0075 ºC))

Bagi sistem dua komponen, C=2
Dengan demikian F = C + 2 - P = 2 + 2 - P = 4 - P
Jika P = 1, iaitu 1 fasa, kita perlukan 3 varian untuk mengekalkan keseimbangannya.
Jika P = 2, iaitu 2 fasa, kita perlukan 2 varian untuk mengekalkan keseimbangannya.
Jika P = 3, iaitu 3 fasa, kita perlukan 1 varian untuk mengekalkan keseimbangannya.

Dalam rajah fasa ini, tekanan ditetapkan (dimalarkan) pada tekanan atm. Ertinya, satu varian kita telah malarkan. Dengan demikian, bilangan varian yang diperlukan untuk menetapkan keseimbangan menjadi kurang 1. Rajah fasa begini disebut Rajah Fasa Terturun; dan persamaan fasa yang terlibat disebut Persamaan Fasa Terturun,

F' = C + 1 - P
Dalam kes 2 komponen,
F' = 2 + 1 - P = 3 - P
iaitu sama dengan persamaan fasa 1 komponen tak terturun.

Dalam kawasan satu fasa (misalnya, titik-titik P, dan T) bilangan fasa adalah satu,
Jadi, F = 4-1 = 3 (Sistem TRIVARIAN - sebarang titik di dalam kawasan dan ditakrifkan oleh tiga parameter, i.e. tekanan (1 atm - malar), suhu (TP bagi titik P), dan komposisi (Qx bagi titik P)
Dalam pengertian "terturun", sistem 2 komponen, 1 fasa adalah SISTEM BIVARIAN TERTURUN, F' = 2. Bagi titik P, varian berkenaan adalah suhu TP, dan komposisi Qx.

Titik Q dan titik S adalah titik 2 fasa. Malahan sebarang titik pada LENGKUNG CECAIR dan pada LENGKUNG WAP adalah titik 2 fasa.
Mengikut Persamaan Fasa Terturun, bagi sistem ini,
F' = 3 - 2 = 1 iaitu sistem terubahsuai UNIVARIAN. Kita perlukan cuma satu varian untuk menetapkan keseimbangan. Varian ini sama ada SUHU atau KOMPOSISI. Bagi titik Q misalnya, jika kita pilih komposisi sebagai Qx, maka dengan sendirinya suhu tertakrif sebagai TQ.
Seandainya, sekarang suhu diubah menjadi TR, maka komposisi akan turut berubah, dalam keseimbangan baru, sekarang menjadi Rx

Pada titik Q (univarian terturun) keseimbangan adalah antara 2 fasa - fasa cecair dan fasa wap. Pada komposisi fasa cecair Qx, komposisi fasa wap diberikan oleh titik Qw, iaitu Qy. Komposisi kedua-dua fasa yang sedang dalam keseimbangan sistem terubahsuai univarian adalah komposisi yang dikaitkan oleh GARIS PENGIKAT.

Titik R adalah titik keseimbangan 2 fasa. Malahan sebarang titik (yang ditakrifkan oleh absisa komposisi dan ordinat suhu) di dalam kawasan yang dilingkungi oleh lengkung wap (di atas) dan lengkung cecair (di bawah), dan termasuk titik-titik di atas kedua-dua lengkung tersebut, adalah kawasan keseimbangan dua fasa. Secara praktik, titik R boleh dicapai dengan menaikkan suhu ke TR bagi komposisi pada P/Q (dalam sistem tertutup).

Mengikut Hukum Fasa Terturun, titik-titik dalam kawasan ini juga adalah titik Univarian Terturun. Kita perlukan cuma satu varian. Misanya jika jika tetapkan suhu pada TR, maka secara automatik campuran yang berkomposisi keseluruhan Qx (digambarkan oleh titik R) akan berkomposisi Rx bagi fasa cecair dan berkomposisi Ry bagi fasa wap.

Dalam gambarajah fasa ini terdapat DUA sistem INVARIAN TERTURUN, iaitu titik yang ditandakan dengan TAo (apabila komposisi bersamaan dengan 100% A, i.e. sistem 1 komponen A) dan TBo (apabila komposisi bersamaan dengan 100% B, i.e. sistem 1 komponen B). Pada titik ini dua fasa yang berkeseimbangan adalah fasa wap dan fasa cecair. Dalam gambarajah fasa TAK TERTURUN, titik-titik ini merupakan titik UNIVARIAN yang terletak pada garis sempadan fasa CECAIR-GAS.

Bagi sistem dua komponen yang serasi (yang boleh membentuk larutan pepejal - contohnya molibdenum/vanadium), rajah fasa yang diperlihatkan adalah hampir serupa dengan rajah fasa untuk sistem dua komponen cecair yang serasi. Rajah fasa beriukt menunjukkan distem 2 komponen yang melibatkan 2 pepejal tak serasi. Contohnya emas/silikon.

Misalkan kita mempunyai satu sistem, komposisinya adalah xP, pada suhu TP. Sistem ini ditunjukkan sebagai titik P dalam rajah fasa. Pada titik P sistem keseimbangan adalah sistem 1 fasa (cecair)
Jadi ia adalah sistem BIVARIAN TERTURUN.

Pada titik Q (suhu TQ), satu fasa baru muncul. Fasa ini adalah pepejal A tulen.
Jadi sistem bertukar menjadi UNIVARIAN TERTURUN.

Sistem univarian terturun ini berterusan hingga ke titik R (suhu TR). Akan tetapi komposisi berubah kerana lebih banyak pepejal tulen A terbentuk. Komposisi fasa cecair adalah xR.

Pada suhu TS, iaitu pada titik S, komposisi cecair adalah xE. Pada titik ini juga, satu fasa baru muncul, iaitu pepejal B tulen.
Jadi 3 fasa berkeseimbangan, iaitu fasa cecair dengan komposisi xE, fasa pepejal A tulen dan fasa pepejal B tulen. Mengikut persamaan fasa terturun, sistem ini adalah sistem INVARIAN TERTURUN. Semua titik di atas garisan V-E-S-TS adalah titik-titik invarian terturun.

Pada suhu yang lebih rendah, misalnya pada suhu TT, sistem telah memasuki kawasan "semua pepejal". Dalam kawasan ini, cuma 2 fasa yang wujud berkeseimbangan, kedua-duanya fasa pepejal, iaitu pepejal A tulen dan pepejal B tulen, dengan komposisi asal, xP. Namun demikian, sistem berubah menjadi sistem UNIVARIAN TERTURUN.

Perhatikan apa yang berlaku jika kita mempunyai satu sistem pada titik U dengan komposisi xE, suhu TQ disejukkan ke suhu TT. Kita akan memerhatikan perubahan sistem daripada BIVARIAN TERTURUN kepada INVARIAN TERTURUN dan akhirnya berhenti kepada UNIVARIAN TERTURUN.

Bagi sistem dua komponen cecair-cecair yang tak serasi sempurna, seperti sistem butanol-air:

Mengikut Persamaan Fasa Terturun, bagi sistem ini, dengan bilangan komponen = 2
F' = 2 + 1 - P = 3 - P
Kita lihat apa yang berlaku kepada keseimbangan fasa apabila kita mengubah varian-varian.

Pada titik A dengan komposisi keseluruhan yB, bilangan fasa yang sedang berkeseimbangan adalah satu, iaitu fasa wap.
Dengan demikian, F' = 2
Iaitu sistem BIVARIAN TERTURUN
Suhu TA mesti dikekalkan untuk sistem bivarian terturun ini kekal berkeseimbangan.

Pada titik B, fasa cecair mula terbentuk. Cecair tersebut adalah larutan butanol/AIR (sedikit butanol, banyak AIR) dengan komposisi diberikan oleh xB
Dengan demikian 2 fasa bekeseimbangan, iaitu sistem UNIVARIAN TERTURUN.
Keadaan univarian ini berterusan sehingga ke titik C. Namun demikian, komposisi telah secara automatik berubah, iaitu komposisi cecair diberikan oleh xC, manakala komposisi wap diberikan oleh yC
Pada titik D (bersuhu TE) satu fasa baru timbul oleh kerana butanol-air mula memasuki kawasan tak serasi. Pada titik ini, 3 fasa bekeseimbangan, iaitu 1 fasa wap (air/butanol dengan komposisi xE dan 2 fasa cecair (pertama fasa larutan butanol/AIR pada titik G dengan komposisi xD, dan kedua fasa larutan air/BUTANOL pada titik H dengan komposisi xH).
Mengikut persamaan fasa, sistem sekarang berubah daripada UNIVARIAN TERTURUN menjadi INVARIAN TERTURUN. Dengan demikian titik-titik G, D, E, H adalah titik-titik invarian terturun dalam gambarajah fasa ini. Malahan, sebarang titik pada garisan GDEH adalah titik-titik invarian terturun dalam gambarajah fasa seperti ini.

Titik E disebut juga sebagai titik azeotrop. Komposisi pada titik ini akan berubah fasa tanpa perubahan komposisi.

Jika suhu sistem ini diturunkan lagi, misalnya sehingga TF ke titik F, maka sistem berubah semula mejadi 2 fasa, tetapi kali ini kedua-duanya adalah fasa cecair. Cecair pertama adalah cecair pada titik J dengan komposisi xC, manakala cecair yang kedua adalah cecair pada titik K dengan komposisi xK.