Diagram fase

Membaca diagram tekanan–suhu

Daerah kestabilan

Di dalam daerah satu fase, satu fase stabil secara termodinamika. Pada garis batas, dua fase memiliki potensial kimia yang sama dan berada dalam koeksistensi setimbang. Karena itu garis padat–cair atau cair–uap bukan pita transisi kabur, melainkan kumpulan kondisi ketika dua fase sama stabil.

Mengikuti lintasan

Mulailah dari suhu dan tekanan awal, tentukan daerahnya, lalu ubah satu variabel setiap kali. Pada diagram P–T biasa, pemanasan pada tekanan tetap adalah lintasan horizontal dan kompresi pada suhu tetap lintasan vertikal. Setiap kali batas dilintasi terjadi transisi fase setimbang. Air pada 1 bar yang dipanaskan dari bawah 0 °C melewati peleburan lalu pendidihan.

Titik tripel dan titik kritis

Titik tripel

Ketiga kurva koeksistensi bertemu pada titik tripel. Hanya pada satu pasangan suhu dan tekanan khas zat tersebut fase padat, cair, dan uap dapat berada bersama dalam kesetimbangan. Titik tripel bukan titik leleh biasa yang biasanya dinyatakan pada tekanan tertentu, sering mendekati 1 bar.

Titik kritis

Kurva koeksistensi cair–uap berakhir di titik kritis pada suhu dan tekanan tinggi. Mendekati titik itu, sifat cairan dan uap semakin mirip. Di atasnya tidak ada batas cair–gas yang tajam; bahan menjadi fluida superkritis dan densitas dapat berubah secara kontinu tanpa menyeberangi garis koeksistensi.

Air dan karbon dioksida

Air

Kurva peleburan air dekat kondisi biasa memiliki kemiringan negatif karena es kurang rapat daripada air cair. Tekanan yang lebih tinggi menguntungkan fase cair yang volumenya lebih kecil sehingga titik leleh sedikit turun. Keanehan ini mencerminkan struktur terbuka es yang dibentuk ikatan hidrogen.

CO₂

Tekanan titik tripel CO₂ sekitar 5,18 bar, lebih tinggi daripada tekanan atmosfer. Karena itu pada sekitar 1 bar daerah cair stabil tidak dapat dicapai; es kering yang dipanaskan menyublim, bukan meleleh. Geometri serupa menjelaskan pengeringan beku: es dijaga di bawah tekanan titik tripel air agar berubah langsung menjadi uap.

Kemiringan batas dan aturan fase

Hubungan Clapeyron

Kemiringan garis koeksistensi tidak sembarang. Persamaan Clapeyron dP/dT=ΔH_trans/(TΔV_trans) menghubungkannya dengan entalpi dan perubahan volume transisi. Untuk peleburan ΔH positif, sehingga tanda kemiringan ditentukan ΔV. Air menyusut ketika es meleleh, ΔV<0, sehingga kemiringannya negatif.

Aturan fase Gibbs

Aturan fase Gibbs adalah F=C−P+2. Untuk zat murni C=1 sehingga F=3−P. Daerah satu fase memiliki dua derajat kebebasan; pada batas dua fase hanya satu; di titik tripel P=3 sehingga F=0 dan suhu maupun tekanan tidak dapat diubah bebas sambil mempertahankan tiga fase.

Batas model

Diagram fase menyatakan kestabilan kesetimbangan, bukan seberapa cepat kesetimbangan tercapai. Pendinginan lewat titik beku, hambatan nukleasi, keadaan metastabil, dan histeresis adalah persoalan kinetika. Zat nyata juga dapat mempunyai beberapa fase padat; dalam campuran komposisi menjadi variabel tambahan dan muncul diagram biner/ternary, eutektik, serta batas kelarutan.

Contoh dan latihan

Kompresi pada suhu tetap

Jika gas pada suhu di bawah suhu kritis dikompresi secara isotermal, lintasannya vertikal pada diagram P–T. Saat melintasi garis cair–uap, kedua fase hadir pada tekanan tersebut; kompresi lebih lanjut membawa keadaan ke daerah cair. Di atas suhu kritis garis itu sudah berakhir sehingga densitas hanya meningkat kontinu.

Membaca lintasan

Zat murni memiliki tekanan titik tripel 4 bar. Padatannya dipanaskan pada 1 bar. Apakah fase cair stabil dapat muncul?