Fenomena pada campuran

Pada kesempatan kali ini kita akan berdiskusi tentang fenomena yang terjadi bila kita memiliki campuran. Topik kali ini agak gampang-gampang gimanaa gitu. Butuh sedikit lebih banyak waktu dan konsentrasi tinggi dalam memahaminya. Ketelitian dalam membaca istilah juga diperlukan agar lebih mudah dalam memahami materi ini. Pada tulisan kali ini, keterangan simbol mengacu pada buku “Introduction to chemical engineering thermodynamics” karangan J.M Smith.

Campuran adalah suatu sistem di mana di dalamnya terdapat dua jenis komponen atau lebih. Sifat pada sistem campuran berbeda dengan sifat pada sistem murni. Contohnya, bila kita tambahkan 100 L air ke dalam 100 L air, maka kita akan mendapatkan 200 L air. Namun bila kita memiliki 100 L methanol, lalu kita tambahkan 100 L air, maka bukan 200 L yang kita punya melainkan 185 L campuran methanol-air. Hla kok bisa? Ke mana volume yang 15 L? Untuk menjelaskan fenomena sistem campuran tersebut mari kita ambil contoh sistem campuran yang lebih jelas perbedaannya. Katakanlah kita punya 100 L batu dan 100 L kerikil, tentu hasil akhirnya bukan 200 L batu-krikil, melainkan kurang dari 200 L karena krikil mengisi rongga antar batu. Hal yang mirip juga terjadi pada campuran cairan. Dari fenomena tersebut, sifat campuran dapat kita tuliskan secara matematik sebagai berikut (perhatikan tanda tidak sama dengan):

01-persamaan-1

Persamaan (1) juga dapat dituliskan dalam bentuk “jumlah mol” atau “fraksi mol” sebagai berikut:

02-persamaan-2-dan-3

Demi kemudahan dalam memahami sifat campuran (dan juga menghitung sifat-sifat yang berkaitan dengan sistem campuran), maka dikenalkanlah istilah sifat parsial (partial properties). Secara matematik sifat parsial ditulis sebagai berikut (perhatikan tanda sama dengan):

03-persamaan-4-dan-5

Bila kita lihat lagi dengan lebih seksama, terdapat perbedaan antara Persamaan (2) dan (3) dengan Persamaan (4) dan (5).  Persamaan (2) dan (3) adalah sifat “molar” (volume molar) sehingga tidak dapat dijumlahkan sedangkan Persamaan (4) dan (5) adalah sifat “molar parsial” (volume molar parsial) sehingga dapat dijumlahkan. Gampangnya, kata sakti “parsial” dapat mengubah sesuatu yang semula tidak dapat dijumlahkna menjadi bisa dijumlahklan.

Perlu ditekankan lagi bahwa sifat “molar” berbeda dengan sifat “molar parsial”. Dalam keadaan non-ideal, sifat molar dalam campuran tidak dapat dijumlahkan, sedangka sifat molar parsial dalam campuran non-ideal dapat dijumlahkan. Namun bila kita mengambil asumsi bahwa sistem tersebut dalam keadaan ideal, sifat molar dapat dijumlahkan, seperti pada Persamaan (6). Perlu diketahui bahwa tidak ada sifat molar parsial ketika kita mengambil asumsi keadaan ideal.

04-persamaan-4-dan-6

Sifat molar parsial memiliki aturan umum yang secara matematik dituliskan sebagai berikut:

05-persamaan-7-dan-8

dimana M adalah H, S, G, A, U atau V.

Kalau kita aplikasikan Persamaan (7) –dalam bentuk jumlah mol– ke dalam sifat-sifat termodinamika, maka Persamaan (7) menjadi seperti berikut:

06-persamaan-9-12

Adapun kalau kita aplikasikan Persamaan (8) –dalam bentuk fraksi mol– ke dalam sifat-sifat termodinamika, maka Persamaan (8) menjadi seperti berikut:

07-persamaan-13-16

Dari diskusi di atas kita sepakat bahwa sifat parsial dapat dengan mudah digunakan untuk menghitung sifat-sifat termodinamika pada sistem campuran. Sekarang kita akan mendiskusikan cara menghitung sifat parsial. Secara eksperimen, sifat parsial dapat diketahui dengan cara menuangkan sejumlah kecil komponen A pada komponen B, lalu mengukur perubahan sifatnya. Misalkan kita ingin mengukur volume molar parsial. Setelah penambahan komponen sedikit A ke dalam campuran A dan B, kita mengukur penambahan volume molar larutan A dan B. Hal tersebut terus dilakukan hingga fraksi mol A dan B jumlahnya sama. Eksperimen tersebut dilakukan pada kondisi suhu dan tekanan tetap. Secara matematik hal tersebut dapat ditulis sebagai berikut:

08-persamaan-17

Kalau kita aplikasikan ke sifat termodinamika, persamaan (17) menjadi:

09-persamaan-18-21

Agar lebih mudah dipahami, mari kita ambil contoh larutan biner. Larutan biner adalah larutan yang terdiri dari dua komponen. Pada larutan biner, persamaan (17) dapat diselesaikan sehingga menjadi seperti persamaan berikut:

10-persamaan-22-dan-23

Sebagai contoh, kalau kita aplikasikan ke dalam volume molar, persamaan (22) dan (23) menjadi:

11-persamaan-24-dan-25

Agar lebih mudah dipahami, mari kita ambil satu contoh soal mengenai sifat parsial ini.

Contoh kasus

Suatu penelitian di lab dilakukan untuk mengukur enthalpy suatu campuran biner dalam fase cair. Eksperimen dilakukan pada suhu dan tekanan tetap. Eksperimen menghasilkan persamaan enthalpy sebagai fungsi komposisi komponen 1 dan komponen 2, sebagai berikut:

12-persamaan-a

Dari persamaan di atas, tentukan enthalpy parsial komponen 1 ( ) dan komponen 2 ( ).

Solusi

Langkah pertama adalah mengubah x2 menjadi dalam bentuk x1. Dalam campuran biner, nilai total fraksi mol campuran adalah 1. Sehingga, x2 dapat didefinisikan sebagai berikut:

13-persamaan-b

Substitusi persamaan (B) ke persamaan (A) sehingga menjadi:

14-persamaan-c

Langkah berikutnya adalah menurunkan persamaan (C) terhadap x1.

15-persamaan-d
Selanjutnya, kita panggil persamaan (22) untuk menghitung enthalpy parsial komponen 1.

16-solusi-species-1
Prosedur yang sama juga dilakukan pada persamaan (23) untuk menghitung enthalpy parsial komponen 2. Hasil akhirnya adalah sebagai berikut

17-solusi-species-2

Demikian pembahasan tentang femomena pada campuran. Memahami fenomena campuran akan membantu kita dalam memahami fenomena-fenomena termodinamika lainnya. Bisa dikatakan fenomena campuran ini adalah pondasi untuk melangkah ke fenomena selanjutnya. Untuk penjelasan lebih detail, silakan buka buku “Introduction to chemical engineering thermodynamics” karangan J.M Smith pada section 11.3 Partial Properties.

Student Housing

KFUPM

08.09 AM (LT +3)

Dhahran, Eastern Province

Kingdom of Saudi Arabia

Leave a Comment