11.9 Diagram Fasa

Hubungan keseluruhan antara fasa padat, cair, dan uap paling baik disajikan dalam satu grafik yang dikenal sebagai diagram fasa. Diagram fasa meringkas keadaan di mana suatu zat ada sebagai padatan, cairan, atau gas. Pada bagian ini akan dibahas secara singkat diagram fasa air dan karbon dioksida.

Air

Gambar 11.40 (a) menunjukkan diagram fasa air. Grafik dibagi menjadi tiga wilayah, yang masing-masing mewakili fasa murni. Garis yang memisahkan dua wilayah menunjukkan kondisi di mana kedua fasa ini dapat berada dalam kesetimbangan. Sebagai contoh, kurva antara fasa cair dan fasa uap menunjukkan variasi tekanan uap dengan temperatur. (Bandingkan kurva ini dengan Gambar 11.35.) Dua kurva lainnya secara serupa menunjukkan kondisi keseimbangan antara es dan air cair dan antara es dan uap air. (Perhatikan bahwa garis batas padat-cair memiliki kemiringan negatif.) Titik di mana ketiga kurva bertemu disebut titik rangkap tiga, yang merupakan satu-satunya kondisi di mana ketiga fasa dapat berada dalam kesetimbangan satu sama lain. Untuk air, titik ini berada pada 0,01°C dan 0,006 atm.

Diagram fasa memungkinkan kita untuk memprediksi perubahan titik leleh dan titik didih suatu zat sebagai akibat dari perubahan tekanan eksternal; kita juga dapat mengantisipasi arah perubahan fasa yang disebabkan oleh perubahan suhu dan tekanan. Titik leleh normal dan titik didih air pada 1 atm masing-masing adalah 0°C dan 100°C. Apa yang akan terjadi jika peleburan dan pendidihan dilakukan pada beberapa tekanan lain? Gambar 11.40 (b) menunjukkan bahwa peningkatan tekanan di atas 1 atm akan menaikkan titik didih dan menurunkan titik leleh. Penurunan tekanan akan menurunkan titik didih dan meningkatkan titik leleh.

Gambar 11.40 (a) Diagram fase air. Setiap garis padat antara dua fasa menentukan keadaan tekanan dan suhu di mana kedua fasa tersebut dapat berada dalam kesetimbangan. Titik di mana ketiga fasa berada dalam kesetimbangan (0,006 atm dan 0,01 °C) disebut titik tripel. (b) Diagram fasa ini memberi tahukan bahwa meningkatkan tekanan pada es akan menurunkan titik lelehnya dan bahwa meningkatkan tekanan air akan meningkatkan titik didihnya.

Karbon Dioksida

Diagram fasa karbon dioksida (Gambar 11.41) secara umum mirip dengan air, dengan satu pengecualian penting — kemiringan kurva antara padat dan cair adalah positif. Faktanya, ini berlaku untuk hampir semua zat lainnya. Air berperilaku berbeda karena es kurang padat dari air cair. Titik tripel karbon dioksida berada pada 5,2 atm dan 257 °C.

Pengamatan yang menarik dapat dilakukan tentang diagram fasa pada Gambar 11.41. Seperti yang Anda lihat, seluruh fasa cair berada jauh di atas tekanan atmosfer; oleh karena itu, tidak mungkin karbon dioksida padat meleleh pada 1 atm. Sebaliknya, ketika CO₂ padat dipanaskan hingga 278 °C pada 1 atm, ia menyublim. Padahal, karbon dioksida padat disebut dry ice atau es kering karena bentuknya seperti es dan tidak mencair (Gambar 11.42). Karena khasiatnya inilah, es kering bermanfaat sebagai refrigerant.

Gambar 11.41 Diagram fasa karbon dioksida. Perhatikan bahwa garis batas padat-cair memiliki kemiringan positif. Fasa cair tidak stabil di bawah 5,2 atm, sehingga hanya fasa padat dan uap yang dapat eksis dalam kondisi atmosfer.

Gambar 11.42 Dalam kondisi atmosfer, karbon dioksida padat tidak meleleh; itu hanya bisa menyublim. Gas karbon dioksida dingin menyebabkan uap air di dekatnya mengembun dan membentuk kabut.

Ulasan Konsep

Diagram fasa helium ditunjukkan di sini. Helium adalah satu-satunya zat yang diketahui memiliki dua fasa cair berbeda yang disebut helium-I dan helium-II. (a) Berapakah suhu maksimum di mana helium-II dapat eksis? (b) Berapakah tekanan minimum di mana helium padat dapat berada? (c) Berapakah titik didih normal helium-I? (d) Bisakah helium padat menyublim? (e) Ada berapa triple point?