Kalkulator Aturan Fase Gibbs - Hitung Derajat Kebebasan

Apa Itu Aturan Fase Gibbs?

Aturan fase Gibbs adalah rumus dari termodinamika, yaitu ilmu yang mempelajari panas, energi, dan materi. Aturan ini memprediksi berapa banyak kondisi, seperti suhu atau tekanan, yang dapat diubah secara independen dalam suatu sistem tanpa mengubah fase yang ada pada kesetimbangan. Fase adalah bagian sistem yang berbeda secara fisik dan seragam, seperti es, air cair, atau uap. Kalkulator ini menerapkan aturan tersebut: masukkan jumlah komponen dan fase, lalu kalkulator akan mengembalikan derajat kebebasan.

Rumus Aturan Fase Gibbs

Aturan tersebut ditulis sebagai berikut:

$F = C - P + 2$

• F adalah derajat kebebasan: jumlah variabel, seperti suhu, tekanan, atau komposisi, yang dapat berubah secara independen tanpa mengubah fase yang ada.
• C adalah jumlah komponen: jumlah terkecil zat kimia independen yang diperlukan untuk mendeskripsikan segala sesuatu dalam sistem.
• P adalah jumlah fase: wilayah yang terpisah secara fisik dan seragam dalam sistem.
• 2 melambangkan suhu dan tekanan, dua variabel yang memengaruhi sebagian besar sistem.

Mata kuliah termodinamika material di MIT memberikan aturan yang sama dalam bentuk derajat kebebasan = C + 2 − Ph, dengan Ph adalah jumlah fase.

Fisikawan Amerika Josiah Willard Gibbs menerbitkan aturan ini pada tahun 1870-an, dalam makalah berjudul "On the Equilibrium of Heterogeneous Substances".

Dari mana rumus ini berasal

Dalam sistem dengan C komponen yang tersebar di P fase, setiap fase memerlukan C − 1 angka untuk mendeskripsikan komposisinya, sedangkan suhu dan tekanan berlaku untuk seluruh sistem. Jadi, terdapat total P(C − 1) + 2 variabel.

Pada kesetimbangan, setiap komponen harus memiliki potensial kimia yang sama, yaitu ukuran kecenderungannya untuk berpindah atau bereaksi, di setiap fase tempat komponen itu muncul. Hal ini menghasilkan (P − 1) × C persamaan yang membatasi sistem.

Dengan mengurangkan batasan dari variabel, diperoleh aturan berikut:

$F = [P(C - 1) + 2] - [(P - 1) \times C] = C - P + 2$

Cara Menghitung Derajat Kebebasan

1. Hitung komponennya. Ini adalah jumlah zat yang independen secara kimia dalam sistem. Air murni dihitung sebagai satu komponen, meskipun mengandung hidrogen dan oksigen, karena tidak terjadi reaksi kimia.
2. Hitung fasenya. Ini adalah jumlah wilayah yang terpisah secara fisik dan seragam, seperti es, air cair, dan uap air yang ada secara bersamaan.
3. Terapkan rumus: F = C − P + 2.
4. Baca hasilnya. F positif adalah jumlah variabel yang dapat berubah selama semua fase tetap ada. F = 0 berarti sistem hanya ada pada satu suhu dan tekanan tertentu. Hasil negatif berarti sistem, seperti yang dijelaskan, tidak dapat ada dalam kesetimbangan.

Contoh Penerapan

Air pada titik tripel

Air adalah satu komponen (C = 1). Pada titik tripel, es, air cair, dan uap air semuanya ada secara bersamaan, sehingga terdapat tiga fase (P = 3).

$F = 1 - 3 + 2 = 0$

Titik tripel hanya dapat terjadi pada satu suhu dan tekanan tertentu: 273,16 K dan 611,657 pascal untuk air, yaitu 0,01 °C.

Air garam dengan garam padat

Sistem ini memiliki dua komponen, yaitu air dan garam (C = 2), serta dua fase: garam padat dan larutan garam (P = 2).

$F = 2 - 2 + 2 = 2$

Dua variabel, seperti suhu dan tekanan, dapat berubah secara independen sementara kedua fase tetap ada.

Sistem tiga komponen dengan empat fase

Dengan tiga komponen (C = 3) dan empat fase (P = 4):

$F = 3 - 4 + 2 = 1$

Hanya satu variabel, seperti suhu, yang dapat berubah secara independen sebelum suatu fase menghilang.

Derajat Kebebasan Negatif

Rumus tersebut dapat menghasilkan angka negatif ketika suatu sistem dideskripsikan dengan jumlah fase yang lebih banyak daripada yang dapat didukung komponennya pada kesetimbangan. Sebagai contoh, satu komponen dengan empat fase menghasilkan:

$F = 1 - 4 + 2 = -1$

Bilangan negatif tidak memiliki makna fisik, karena suatu sistem tidak dapat memiliki kebebasan "negatif" untuk mengubah kondisi. Kalkulator ini tidak menampilkan bilangan negatif. Sebagai gantinya, kalkulator menampilkan "0 (Konfigurasi tidak valid)" untuk menandai bahwa kombinasi komponen dan fase yang dimasukkan tidak dapat ada dalam kesetimbangan.

Penerapan Aturan Fase Gibbs

• Teknik kimia: merancang proses distilasi dan kristalisasi, ketika jumlah fase menentukan berapa banyak variabel yang harus dikendalikan oleh seorang insinyur.
• Ilmu material dan metalurgi: memprediksi perilaku paduan logam selama perlakuan panas dan pendinginan.
• Geologi: menjelaskan kombinasi mineral yang dapat terbentuk bersama dalam batuan pada suhu dan tekanan tertentu.
• Ilmu farmasi: menjaga kestabilan kimia formulasi obat dan memprediksi perilaku selama pengeringan beku.

Sejarah Aturan Fase Gibbs

Josiah Willard Gibbs (1839–1903) adalah seorang fisikawan matematika Amerika. Ia mengembangkan aturan fase sebagai bagian dari kajian yang lebih luas tentang kesetimbangan termodinamika, yang diterbitkan dalam Transactions of the Connecticut Academy of Arts and Sciences. Jurnal itu kurang dikenal, sehingga karyanya awalnya terabaikan. Gibbs mengirimkan salinan makalahnya kepada para ilmuwan terkemuka di Eropa.

Ilmuwan Eropa lebih dahulu menyadari pentingnya karya itu. Fisikawan James Clerk Maxwell membuat model fisik dari persamaan Gibbs dan mengirimkan salinannya kepada Gibbs. Ahli kimia Wilhelm Ostwald kemudian menerjemahkan makalah Gibbs ke dalam bahasa Jerman. Ahli kimia Belanda H. W. Bakhuis Roozeboom kemudian menerapkan aturan ini pada sistem eksperimen nyata, sehingga membantu menjadikannya alat standar dalam kimia fisika.

Pertanyaan yang Sering Diajukan

Apa itu aturan fase Gibbs?

Aturan ini adalah persamaan, F = C − P + 2, yang memberikan jumlah variabel, seperti suhu, tekanan, atau komposisi, yang dapat berubah secara independen dalam sistem pada kesetimbangan tanpa mengubah fase yang ada.

Apa arti F = C − P + 2?

F adalah derajat kebebasan, C adalah jumlah komponen, dan P adalah jumlah fase. "+2" memperhitungkan suhu dan tekanan, yang memengaruhi sebagian besar sistem.

Apa yang dianggap sebagai fase?

Fase adalah bagian sistem yang berbeda secara fisik dan seragam, seperti es, air cair, atau uap air. Dua cairan yang tidak bercampur, seperti minyak dan air, dihitung sebagai dua fase yang terpisah.

Apa arti hasil negatif?

Artinya, sistem tidak dapat ada dalam kesetimbangan seperti yang dijelaskan, karena memiliki lebih banyak fase daripada yang dapat didukung oleh komponennya. Kalkulator menampilkannya sebagai "0 (Konfigurasi tidak valid)", bukan bilangan negatif.

Apakah aturan fase berlaku untuk sistem dengan reaksi kimia?

Aturan dasar mengasumsikan tidak terjadi reaksi. Jika reaksi independen memang terjadi, masing-masing reaksi mengurangi jumlah efektif komponen sebanyak satu.

Bagaimana hubungan aturan fase dengan diagram fase?

Pada diagram tekanan-suhu, daerah satu fase memiliki F = 2, garis yang memisahkan dua fase memiliki F = 1, dan titik tripel tempat tiga fase bertemu memiliki F = 0.

Referensi

1. Massachusetts Institute of Technology, OpenCourseWare. 3.020 Thermodynamics of Materials, Lecture 20. Kuliah 20 MIT 3.020 — aturan fase Gibbs, derajat kebebasan = C + 2 − Ph.
2. International Association for the Properties of Water and Steam (IAPWS). Revised Release on the Pressure along the Melting and Sublimation Curves of Ordinary Water Substance. IAPWS R14-08(2011) — titik tripel air pada 273,16 K dan 611,657 Pa.
3. Linda Hall Library. Scientist of the Day: Josiah Willard Gibbs. Josiah Willard Gibbs — "On the Equilibrium of Heterogeneous Substances" dalam Transactions of the Connecticut Academy of Arts and Sciences, serta tahun hidup Gibbs.
4. National Museums Scotland. Uncovering the history of a thermodynamic model by James Clerk Maxwell. Model termodinamika Maxwell — model Maxwell berdasarkan persamaan Gibbs, dengan satu salinan dikirim kepada Gibbs.