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.

Fisikawan Amerika Josiah Willard Gibbs menerbitkan aturan tersebut antara 1875 dan 1878, 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 sementara setiap fase tetap ada. F = 0 berarti sistem hanya ada pada satu suhu dan tekanan yang tepat. Hasil negatif berarti sistem, sebagaimana dideskripsikan, tidak dapat berada pada kesetimbangan; kalkulator menampilkan 0 dan memberikan peringatan.

Contoh perhitungan

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 yang tepat: sekitar 0,01 °C dan 611,657 pascal untuk air.

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:

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

Angka negatif tidak memiliki makna fisik, karena suatu sistem tidak dapat memiliki kebebasan kurang dari nol untuk mengubah kondisi. Kalkulator tetap menampilkan perhitungan aritmetika mentah pada baris perhitungannya, sehingga C = 1 dan P = 4 menampilkan "F = 1 - 4 + 2 = -1". Hasilnya sendiri dibatasi menjadi 0, dan peringatan muncul di bawahnya: suatu sistem dapat memiliki paling banyak dua fase lebih banyak daripada jumlah komponennya.

Batas tersebut mengikuti aturan itu sendiri. Dengan menetapkan F = 0 dalam F = C − P + 2, diperoleh P = C + 2, yaitu jumlah fase terbesar yang dapat hidup berdampingan. Satu komponen memungkinkan tiga fase, yang merupakan titik tripel.

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 fisikawan matematis Amerika. Ia mengembangkan aturan fase sebagai bagian dari kajian yang lebih luas tentang kesetimbangan termodinamika, yang diterbitkan dalam Transactions of the Connecticut Academy of Sciences. Jurnal tersebut memiliki sirkulasi yang kecil, sehingga karyanya awalnya terabaikan di Amerika Serikat.

Para ilmuwan Eropa lebih dahulu mengakui pentingnya aturan tersebut. Fisikawan James Clerk Maxwell membuat model fisik berdasarkan gagasan Gibbs, dan kimiawan Wilhelm Ostwald menerjemahkan makalah Gibbs ke dalam bahasa Jerman pada 1892. Kimiawan Belanda H. W. Bakhuis Roozeboom kemudian menerapkan aturan tersebut pada sistem eksperimen nyata, sehingga membantu menetapkannya sebagai alat standar dalam kimia fisik.

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 berada dalam kesetimbangan sebagaimana dideskripsikan, karena memiliki lebih banyak fase daripada yang dapat didukung komponennya. Kalkulator membatasi hasil menjadi 0 dan menampilkan peringatan, sedangkan baris perhitungan tetap menampilkan perhitungan negatif mentah.

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 sistem satu komponen, wilayah fase tunggal memiliki F = 2, garis yang memisahkan dua fase memiliki F = 1, dan titik tripel tempat tiga fase bertemu memiliki F = 0.

Referensi

1. Gibbs, J. W. (1878). "On the Equilibrium of Heterogeneous Substances." Transactions of the Connecticut Academy of Arts and Sciences, 3, 108–248.
2. Atkins, P., & de Paula, J. (2014). Atkins' Physical Chemistry (10th ed.). Oxford University Press.
3. Smith, J. M., Van Ness, H. C., & Abbott, M. M. (2017). Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics (edisi ke-8). McGraw-Hill Education.