SIFAT ZAT MURNI

Aa BAB 5
SIFAT-SIFAT TERMODINAMIKA ZAT MURNI

Indikator: Bab ini dengan pengenalan konsep zat
murni dan proses perubahan fase zat murni.
1. Mendeskripsikan fase Kita telah mengenal prinsip keadaan, dibab ini
2. Menjelaskan karakteristik zat murni kita akan menerapkan prinsip keadaan
3. Mendeskripsikan proses perubahan tersebut untuk menentukan sifat keadaan
suatu sistem. Kemudian menggambarkan
fase zat murni berbagai diagram sifat, antara lain diagram T-
4. Menggunakan dan υ, P- υ, dan P-T zat murni.

menginterpretasikan data dari
Diagram P-υ termodinamika
5. Menggunakan dan
menginterpretasikan data dari
Diagram P-T
6. Menggunakan dan
menginterpretasikan data dari
Diagram T- υ

5.1 Pendahuluan
Mempelajari sifat sistem dan hubungan antara berbagai sifat seperti tekanan (P), suhu (T),

energi dalam (U), entalpi (H) dan entropi (S) sangat diperlukan dalam menerapkan
kesetimbangan energi pada suatu sistem. Pada bab ini kita akan mempelajari berbagai
hubungan sifat yang relevan dalam termodinamika. Keadaan suatu sistem tertutup yang
berada dalam kesetimbangan merupakan kondisi yang ditentukan berdasarkan nilai sifat
termodinamikanya. Sistem yang keadaannya ditentukan oleh dua sifat bebas disebut sistem
sederhana. Walaupun tidak ada sistem yang benar-benar sederhana, namun banyak sistem
yang dapat dimodelkan sebagai sistem sederhana untuk keperluan analisis termodinamika.
Contoh sistem sederhana adalah sistem termampatkan sederhana. Zat murni merupakan zat
yang digunakan dalam sistem termampatkan (compressibel) sederhana, oleh karena itu zat
murni sering disebut sebagai zat termampatkan sederhana.

Berdasarkan pengamatan berbagai sistem termodinamika diketahui suatu keadaan sistem
dapat ditentukan oleh sifat bebasnya. Aturan umum yang dikenal ini disebut prinsip keadaan
yang diarahkan untuk menentukan jumlah sifat bebas yang diperlukan untuk menetapkan
keadaan suatu sistem. Salah satu alasan penting untuk memperkenalkan konsep zat murni
adalah keadaan zat murni didefinisikan oleh dua sifat bebas. Sebagai contoh, misalkan uap
bermassa konstan berada dalam bejana yang dilengkapi peralatan sedemikian rupa sehingga
tekanan, volume, dan suhunya dapat diukur dengan mudah. Jika volumenya kita tetapkan
pada suatu harga suhu tertentu yang kita pilih, nilai tekanan tidak dapat diubah. Sekali kita
sudah menetapkan harga volume dan suhu, harga tekanan dalam kesetimbangan diperoleh
secara alami. Jadi diantara tiga koordinat termodinamika P, v, dan T hanya dua yang
merupakan sifat bebas.

Untuk lebih memahami istilah sifat bebas, kita tinjau keadaan cairan jenuh dan uap jenuh
dari zat murni. Suhu dan tekanan cairan jenuh dan uap jenuh dari zat murni adalah sama, akan
tetapi keadaan keduanya benar-benar tidak sama. Oleh karena itu, kita katakan bahwa dalam
keadaan jenuh, suhu, dan tekanan bukan merupakan dua sifat yang saling bebas. Dua sifat
bebas seperti tekanan dan volume jenis atau tekanan dan kualitas digunakan untuk
menurunkan keadaan dari zat murni.

120

Bab 5 Sifat-sifat Termodinamika Zat Murni

5.2 Pengertian Zat Murni (Pure Subtance) dan Fase Zat Murni
Zat Murni (pure subtance) merupakan zat yang mempunyai komposisi kimia yang tetap

(stabil) yang sama pada semua tingkat keadaan, tetapi dapat mempunyai beberapa fase yang
berbeda. Misalnya pada air (water), nitrogen (N), helium (He), dan karbondioksida (CO2). Fase
merupakan sejumlah zat yang mempunyai komposisi kimia dan struktur fisika homogen.
Struktur fisika dikatakan homogen apabila zat terdiri dari gas saja, cair saja atau padat saja.
Komposisi kimia dikatakan homogen apabila suatu zat mempunyai hanya satu fase, dimana
suatu zat hanya terdiri satu bahan kimia yang dapat berbentuk padat, cair atau gas atau
campuran dari dua atau tiga bentuk itu. Campuran antara dua fase atau lebih merupakan suatu
zat murni, jika komposisi tiap fase sama. Misalnya campuran air dan es merupakan zat murni,
karena komposisi kimia sama. Campuran cairan air dan uap air juga zat murni, tetapi
campuran udara cair dan gas bukan zat murni, karena komposisi kimia udara cair berbeda
dengan komposisi udara (gas), dapat dilihat pada Gambar 5.1. Zat murni dapat terwujud dalam
fase padat, fase cair atau fase gas.

Gambar 5.1
Zat murni dan bukan zat murni
Kita semua tahu bahwa suatu zat berada dalam fase yang berbeda. Tembaga merupakan
zat padat, merkuri merupakan zat cairan dan nitrogen merupakan zat gas pada suhu kamar
dan tekanan. Dalam kondisi yang berbeda, masing-masing dapat muncul dalam berbagai fase.
Zat padat memiliki sifat rigid (kaku) yaitu mempertahankan volume dan bentuknya seperti
bebatuan dan es. Zat cair mempertahankan volumenya tetapi bentuknya berubah-ubah sesuai
dengan wadahnya. Misalnya air, dimana air menyerupai bentuk gelas ketika di dalam gelas.
Terakhir gas, baik volume dan bentuknya berubah-ubah sesuai dengan wadahnya. Udara di
dalam balon misalnya, volumenya bertambah ketika balon membesar, begitu juga bentuknya.

121

Membedakan satu dengan yang lain adalah struktur molekul

zat tersebut. Solid (padat) mempunyai struktur molekul dengan jarak

antar molekul sangat dekat sehingga gaya ikat antar molekul sangat

kuat, maka bentuknya tetap (Gambar 5.2). Gaya ikat antar molekul-

molekul cenderung untuk mempertahankan pada jarak relatif tetap. Gambar 5.2
Molekul padat tidak dapat bergerak relatif satu sama lain, tetapi Struktur Molekul
terus berosilasi pada posisi kesetimbangannya. Kecepatan molekul
Padat

selama osilasi ini tergantung pada suhu. Pada suhu tinggi, molekul

melawan gaya antar molekul dan terpencar, ini adalah awal dari

proses peleburan.

Liquid (Cair) mempunyai struktur molekul dengan jarak antar

molekul dekat sehingga gaya ikat antar molekul lebih lemah

dibandingkan padatan tetapi masih relatif kuat dibandingkan gas. Gambar 5.3
Molekul cair tidak lagi pada posisi relatif tetap satu sama lain dan Struktur Molekul
dapat bergerak bebas serta berpindah secara bebas (Gambar 5.3). Gas
Cair

mempunyai struktur molekul dengan jarak antar molekul berjauhan

dan susunannya acak. Susunan molekulnya bergerak bebas tidak

beraturan dan saling bertabrakan satu sama lain sehingga membuat

gas tidak dapat mempertahankan volume dan bentuknya (Gambar

5.4). Gas harus melepaskan sejumlah energinya dalam jumlah besar

sebelum berkondensasi atau membeku (berubah bentuk ke cair atau Gambar 5.4
padat). Zat murni banyak digunakan untuk pembangkit listrik tenaga Struktur Molekul
uap, kulkas dan Air Conditioning (AC).
Gas

5.3 Perubahan Fase dari Zat Murni
Biasanya zat murni dapat berbentuk dua fasa dalam kesetimbangan, misalnya air dan uap

air dalam boiler atau kondensor pada pembangkit listrik tenaga uap serta refrigerant (zat
pengisi kulkas) berubah dari cair ke uap pada kulkas. Peristiwa yang terjadi ketika suatu zat
murni mengalami perubahan fase perlu dipahami dengan baik. Pada bagian ini difokuskan
pada fase cair dan fase uap dan fase campuran. Semua zat murni mempunyai mempunyai
kelakuan umum yang sama. Sebagai contoh perubahan fase air (water) ruang silinder-piston,
pemanasan pada tekanan konstan yaitu :

122

Bab 5 Sifat-sifat Termodinamika Zat Murni

a. Keadaan Cair (Compressed Liquid atau Subcooled Liquid)
Ruang piston dan silinder berisi air pada suhu 20 °C dan tekanannya 1 atm. Air dalam

fase cair ini disebut cairan sub-dingin atau cairan terkompresi (compressed liquid atau subcooled
liquid). Pada keadaan ini penambahan panas hanya akan menaikkan suhu tetapi belum
menyebabkan terjadi penguapan (not about to vaporize) ditunjukkan pada Gambar 5.5. Panas
terus diberikan kepada air sampai suhunya menjadi 40°C, terjadi kenaikan volume jenis (piston
bergerak naik sedikit) lihat Gambar 5.6, tekanan di dalam silinder tetap konstan pada 1 atm
selama proses ini karena tergantung pada tekanan udara luar dan berat piston. Air masih pada
keadaan cairan terkompresi karena belum mulai menguap.

Panas terus diberikan dan tekanan dipertahankan, suhunya naik dan berhenti pada suhu
100 °C (Gambar 5.7). Fase cair tetap cair, namun jika sejumlah panas ditambahkan, cairan mulai
menguap (berubah menjadi uap). Kondisi cairan tepat memulai berubah fasenya menjadi uap
disebut kondisi cair jenuh (saturated liquid). Pada keadaan ini air masih wujudnya cair,
penambahan panas sedikit saja akan menyebabkan terjadi penguapan (about to vaporize). Akan
mengalami sedikit penambahan volume.

Gambar 5.5 Gambar 5.6 Gambar 5.7
Keadaan Compresses liquid Keadaan
(piston naik sedikit)
Compresses liquid Saturated Liquid

123

b. Keadaan campuran dua fase Cair dan Uap (Saturated liquid-vapor mixture)

Ketika mulai mendidih, suhu akan berhenti naik (suhu STATE 4
jenuh) sampai cairan seluruhnya menguap. Artinya, suhu akan

tetap konstan selama proses perubahan fase jika prosesnya

pada tekanan konstan. Selama proses penguapan berlangsung

suhunya konstan karena kalor yang diserap digunakan untuk

berubah fase. Terlihat dari Gambar 5.8 sebagian zat cair ada

yang sudah berubah menjadi uap, silinder telah terisi fase cair Gambar 5.8
dan uap. Pada keadaan ini uap dan cairan jenuh berada dalam Keadaan
kesetimbangan. Penambahan panas tidak akan menaikkan suhu
tetapi hanya menambah jumlah penguapan. “Saturated liquid - vapor
mixture

Pada suhu jenuh ini sebagian besar zat berupa cairan dan sebagian berupa uap dan

didefinisikan suatu besaran yang disebut kualitas. Kualitas didefinisikan sebagai perbandingan

massa uap dengan massa total zat. Kualitas didefinisikan hanya zat bila berada pada keadaan

jenuh yaitu pada suhu dan tekanan jenuh. Suhu akan bertambah setelah tetesan terakhir cairan

air menguap. Kualitas merupakan sifat intensif. Kualitas dapat dihitung sebagai berikut,

(5.1)

Kualitas mempunyai nilai dari nol sampai dengan satu: pada keadaan cair jenuh, x = 0,
dan pada keadaan uap jenuh, x =1. Meskipun didefinisikan sebagai nilai perbandingan, kualitas
seringkali diberikan dalam bentuk persentase. Parameter sejenis dapat didefinisikan juga untuk
campuran dua fase padat-uap dan campuran dua fase padat-cair.

c. Keadaan Uap
Akhir dari penguapan, campuran cair-uap tepat berubah menjadi uap seluruhnya,

disebut saturated vapor (kondisi uap jenuh). Pengurangan panas sekecil apapun menyebabkan
pengembunan (about to condense) lihat pada Gambar 5.9. Jika perubahan fase telah berakhir,
panas yang diberikan digunakan untuk menaikkan suhu (misalnya sampai 300 °C). Kondisi ini
disebut kondisi uap panas lanjut (superheated vapor). Penambahan panas akan menyebabkan
kenaikkan suhu dan volume, artinya suhu naik maka volume jenis uap ikut naik pula. Tekanan
dan suhu uap panas lanjut adalah sifat saling bebas, karena pada keadaan ini suhu terus
meningkat akan tetapi tekanan tetap konstan (lihat Gambar 5.10).

124

STATE 5 Bab 5 Sifat-sifat Termodinamika Zat Murni
STATE 6

Gambar 5.9 Gambar 5.10
Keadaan Keadaan

Saturated Vapor Superheated Vapor

Representasi dari setiap kondisi yang digambarkan pada proses pemanasan air yang
menyebabkan terjadinya perubahan fasa, digambarkan pada suatu grafik T-υ. Pada sumbu
vertikal menunjukkan nilai suhu dalam derajat celcius dan pada sumbu horizontal
menunjukkan nilai volume jenis dalam m3/kg, dapat dilihat pada Gambar 5.11.

Gambar 5.11
Diagram T-v Proses Perubahan Fase Air pada Tekanan Konstan
Jika seluruh proses yang dijelaskan di sini dibalik dengan mendinginkan air dimana
tekanan dijaga pada nilai yang sama, air akan kembali ke keadaan semula, dengan jalur yang
sama. Dengan demikian, jumlah panas yang dilepaskan akan sama dengan jumlah panas yang
ditambahkan selama proses pemanasan. Proses 1-2-3-4-5 adalah pemanasan pada tekanan
konstan sedangkan proses 5-4-3-2-1 adalah pendinginan pada tekanan konstan.

125

Dari proses perubahan fase di atas, air mulai mendidih pada suhu 100°C. Sebenarnya,
pernyataan air mendidih pada suhu 100°C tidak tepat. Pernyataan yang tepat air mendidih
pada suhu 100°C dimana tekanannya 1 atm. Satu-satunya alasan air mulai mendidih pada suhu
100°C karena prosesnya pada tekanan konstan yaitu pada 1 atm (101,325 kPa). Jika tekanan di
dalam silinder diperbesar menjadi 500 kPa dengan menambahkan beban di atas piston, air akan
mulai mendidih pada suhu 151,8 °C. Oleh kerena itu, suhu di mana air mulai mendidih
tergantung pada tekanan.

Istilah saturation (jenuh) didefinisikan sebagai suatu kondisi dimana campuran air dan
uap air berada bersama-sama pada suhu dan tekanan yang diberikan. Suhu jenuh (saturation
suhue) simbolnya Tsat menunjukkan suhu dimana suatu perubahan fase berlangsung pada suatu
tekanan tertentu. Tekanan jenuh (saturation pressure) simbolnya Psat menunjukan tekanan
dimana campuran air dan uap air pada suhu tertentu.

Pada proses perubahan fase terlihat bahwa dengan memberikan panas tertentu pada
suhu saturasi, belum merubah fase dari cair menjadi uap. Untuk merubahnya diperlukan
sejumlah energi panas tertentu hingga fase cair bisa berubah menjadi fase uap. Besarnya energi
yang diperlukan untuk merubah fase cair menjadi fase uap ini dikenal dengan sebutan
dengan Kalor Laten (Latent Heat of Vaporization) dan jumlahnya sama dengan energi yang
dilepaskan uap untuk berubah kembali menjadi fase cair selama proses pengembunan. Sebagai
contoh, pada tekanan 1 atm kalor laten air adalah sebesar 2257,1 kJ/kg. Cara penetapan sifat
termodinamika senyawa murni dengan cara yaitu diagram fase (fhase diagram), tabel uap (steam
table) dan dapat perhitungan secara online (online calculation).

5.4 Diagram Sifat untuk Proses Perubahan Fase
Dalam mempelajari ilmu termodinamika erat kaitannya dengan tiga faktor utama yang

mempengaruhi sifat kimia dan fisika suatu materi yaitu tekanan (P), volume (V) dan suhu (T).
Ketiga faktor tersebut berperan penting untuk menentukan wujud atau fase suatu materi.
Secara umum, kita mengetahui terdapat tiga jenis fase materi, yaitu padat, cair, gas. Namun,
dalam kajian termodinamika fase materi tidak hanya itu, masih ada beberapa jenis fase lainnya
bergantung pada kondisi. Pada kondisi tertentu, dapat dimungkinkan muncul lebih dari satu
jenis fase yang berbeda sekaligus. Hubungan kondisi tersebut dapat dipelajari lebih mudah
melalui suatu penggambaran diagram yang mencakup tekanan (P), volum (V) dan suhu (T).
Diagram fase menggambarkan bagaimana fase-fase primer (solid, liquid, gas) dari suatu senyawa

126

Bab 5 Sifat-sifat Termodinamika Zat Murni

berubah disebabkan oleh perubahan tekanan, volume dan suhu sistem. Diagram fase juga

memberikan sejumlah informasi tentang pendidihan, pelelehan, dan perubahan-perubahan fase

yang lain. Diagram fase dapat membantu memahami lebih dalam fase-fase dan perubahan-

perubahanfase. Pada bab ini hanya membahas diagram fase untuk senyawa murni.

Ada sejumlah besar tipe diagram fase yang berbeda, tetapi disini akan dimulai dengan ke

tiga besar yaitu: diagram T-υ , P- υ dan P-T, yang telah dikenal dengan konsep suhu, tekanan

dan volume. Volume jenis direpresentasikan dengan υ, yaitu volume per satuan massa sistem.
̅ yang dimaksud volume molar, yaitu volume per mol atau volume total sistem dibagi dengan

jumlah mol di dalam sistem.

Untuk pemahanan lebih lanjut mengenai diagram maka akan dijelaskan beberapa

keadaan tambahan yang terbentuk pada kondisi tertentu, dapat dilihat pada Tabel 5.1 di bawah

ini.

Tabel 5.1 Istilah-istilah dalam Diagram Fase

Fase Penjelasan Contoh

Subcooled Cairan berada pada suhu di bawah Penambahan sedikit energi pada
Liquid titik didihnya ( T<Tsat ) untuk air (80°C; 1atm) tidak akan
tekanan yang diberikan. menyebabkan cairan menguap
Saturated tetapi hanya dapat menaikkan
Liquid Cairan tepat pada suhu jenuh suhu.
(Tsat ) yang mana cairan tersebut Penambahan energi berapapun
Saturated akan mendidih pada tekanan yang pada air (100 °C; 1 atm)
Mixture diberikan ( P = P* ). menyebabkan cairan menguap,
Campuran dari cair jenuh dan uap tetapi dapat menaikkan suhu.
Saturated jenuh dalam keadaan Cairan dan uap dalam keadaan
Vapor kesetimbangan. kesetimbangan (100 °C; 1 atm).
Suhu merupakan suhu jenuh (Tsat) , Pengambilan sedikit energi
Superheated dan tekanan disebut tekanan uap menyebabkan uap terkondensasi,
Vapor P*=P. tetapi suhu tidak turun.
Penambahan sedikit energi cairan
Uap pada suhu tepat menguap, tetapi suhu tidak naik.
jenuh ( Tsat ), dimana uap akan Pengambilan sedikit energi pada
terkondensasi pada tekanan yang uapair (100 °C; 1 atm)
ada ( P = P* ). menyebabkan sejumlah uap
terkondensasi, tetapi suhu tidak
Uap pada suhu di atas titik berubah.
didihnya ( T > Tsat ) untuk Pengambilan sedikit energi pada
tekanan yang ada. uap air (110 °C; 1 atm) tidak
menyebabkan sejumlah uap
berapapun terkondensasi, tetapi
suhu turun

127

Kurva cair Kumpulan seluruh titik pada Setiap titik pada kurva cair jenuh
jenuh diagram fase yang sesuai dengan tekanan yang
merepresentasikan cair jenuh berbeda dan Tsat yang terkait
Kurva uap dengannya
jenuh Kumpulan seluruh titik yang Kurva dimana hanya ada uap
Titik kritis merepresentasikan uap jenuh jenuh.
(critical point) Titik di mana kurva cair jenuh Titik dimana kurva cair jenuh
dalam kurva uap jenuh bertemu. dan uap jenuh bertemu. Pada
Suhu kritis Titik kritis adalah titik di mana gas titik kritis, fase cair jenuh dan uap
(Tcr) di atas tekanan dan suhu kritis tidak jenuh sama.
Tekanan kritis dapat dicairkan hanya dengan  Di atas Tcr, fase uap tidak
(pcr) mengecilkan volumenya
Volume jenis terkondensasi menjadi cairan
kritis (υcr) Menunjukkan batas maksimum agar tidak peduli berapapun
Garis cairan kesetimbangan fasa cairan dan uap kenaikan tekanan
jenuh terbentuk  Di atas Pcr, fase cair tidak
(saturated liquid Tekanan pada suhu kritis mendidih menjadi uap tidak
lines) peduli berapapun kenaikan
Garis uap Volume jenis pada kondisi kritis suhu
jenuh  Pada saat T di atas Tc dan P di
(saturated vapor Garis yang membatasi kurva cair atas Pc, cairan disebut
lines) jenuh supercritical fluid.

Garis yang membatasi kurva uap
jenuh

a. Diagram Fase T-υ
Tinjau kembali sistem piston silinder yang kita contoh perubahan fase pada air dapat

digambarkan pada Gambar 5.12. Pada diagram fase kita mempertimbangkan air pada tekanan
1 atm, kurva yang diplot disebut isobar. Diketahui suhu jenuh (Tsat) air yaitu sebesar 100 °C.
Dimulai dari titik pertama, dimana sistem berada pada suhu 20 °C. Karena suhu sistem lebih
kecil dari suhu jenuh (T < Tsat) disebut cairan terkompresi (compressed liquid). Jika kita

128

Bab 5 Sifat-sifat Termodinamika Zat Murni

tambahkan panas (energi) pada sistem tersebut suhu meningkat sementara tekanan konstan
dan penambahan panas hingga mencapai pada titik dua yaitu mencapai suhu 100 °C. Pada titik
kedua suhu sistem sama dengan suhu jenuh (T = Tsat) dan ini merupakan keadaan cair jenuh
karena fraksi massa air yaitu fase uap = 0 maka kualitas (x) cair jenuh = 0. Jika penambahan
panas pada sistem ini diteruskan, gelembung-gelembung kecil dari bentuk uap akan timbul
dan sistem bergerak pada titik ketiga.

Gambar 5.12 Diagram Fase T-υ Perubahan Fase Air

Titik ketiga kualitas (x) meningkat dari 0 hingga menjadi lebih besar dari 0 (atau < 1)

tetapi penambahan panas masih membuat suhu tetap konstan pada Tsat. Saat tetes air terakhir

dari cair menjadi uap dimana kedaan telah mencapai titik keempat yaitu uap jenuh. Seluruh air

merupakan fase uap, sehingga kualitas x = 1. Perhatikan bahwa suhu masih pada suhu jenuh

(Tsat). Saat panas ditambahkan pada uap jenuh, suhu mulai meningkat dan sistem bergerak ke

titik lima. Karena suhu di atas Tsat pada tekanan 1 atm, keadaan ini disebut uap panas lanjut

(superheated vapor). Kualitas tidak digunakan untuk uap jenuh. Diagram fase T-υ tersebut

menjelaskan keadaan senyawa air pada suatu tekanan (P=1 atm), sedangkan berikut akan

didiskusikan tentang diagram fase isobar pada berbagai tekanan, lihat pada Gambar 5.13.

(simulasi dapat dilihat pada

(https://ecourses.ou.edu/cgibin/ebook.cgi?doc=&topic=th&chap_sec=02.2&page=theory).

Jika tekanan air pada sistem tersebut kita naikkan, maka proses perubahan air dari

keadaan cair terkompresi menjadi superheated vapor (uap panas lanjut) akan mirip dengan

proses yang terjadi pada tekanan 1 atm, dimana alur prosesnya mirip dengan proses tersebut,

namun akan memiliki perbedaan pada panjang ruas campuran saturated liquid–vapor. Semakin

tinggi tekanan kita berikan, maka semakin pendek ruas campuran saturated liquid–vapor,
129

sebaliknya, semakin rendah tekanan kita berikan, maka semakin panjang campuran saturated
liquid–vapor sebagaimana Gambar 5.13 berikut ini.

Gambar 5.13
Diagram T-υ perubahan fase zat murni (air) pada berbagai variasi tekanan

Gambar 5.13 menunjukan, pada tekanan di bawah 1 atm, panjang ruang saturated mixture
lebih panjang sementara pada tekanan di atasnya ruas tersebut semakin pendek. Bila tekanan
sistem tersebut kita naikkan lagi, maka ruas campuran akan terus memendek hingga akhirnya
pada tekanan tertentu, ruas campuran ini hanya akan berbentuk titik saja. Titik ini disebut
dengan titik kritis (critical point). Definisi yang tepat untuk menggambarkan titik kritis ini
adalah suatu titik dimana keadaan dari saturated liquid dan saturated vapor adalah sama. Pada
titik kritis, sifat dari suatu zat disebut dengan sifat kritis yakni suhu kritis (critical suhu)
dengan simbol (Tcr), tekanan kritis (critical pressure) dengan simbol (Pcr) dan volume jenis kritis
(critical specific volume) dengan simbol ( ). Sebagai contoh adalah

Air Pcr = 22.09 MPa
Udara Tcr = 374.148°C = 647.298 K
υcr = 0.003155 m3/kg
Pcr = 3.77 MPa
Tcr = 132.5°C = 405.65 K
υcr = 0.0883 m3/kg

130

Bab 5 Sifat-sifat Termodinamika Zat Murni

Pada tekanan di atas tekanan kritis, tidak ada proses perubahan fase (cair menjadi uap)
Sebaliknya, volume jenis terus meningkat dan setiap saat hanya ada satu fase. Pada akhirnya
itu menyerupai uap, tetapi kita tidak pernah tahu kapan perubahan telah terjadi. Di atas
keadaan kritis, tidak ada garis yang memisahkan daerah cair terkompresi dan daerah uap
panas lanjut. Namun biasanya untuk menunjukkan zat tersebut sebagai uap panas lanjut pada
suhu di atas suhu kritis dan sebagai cairan terkompresi pada suhu di bawah suhu kritis.

Bila tekanan yang diberikan di atas tekanan kritis, maka pada satu titik tertentu akan
terjadi proses perubahan mutlak dari fase cair menjadi fase uap. Perhatikan Gambar 5.13, bila
semua titik keadaan cair jenuh (saturated liquid) dihubungkan, maka kita akan dapatkan garis
cair jenuh (saturated liquid line). Demikian pula halnya bila semua titik keadaan uap jenuh
(saturated vapor) kita hubungkan, akan diperoleh garis uap jenuh (saturated vapor line). Kedua
garis ini akan bertemu dititik kritis (critical point) sebagaimana Gambar 5.14 berikut:

Gambar 5.14
Diagram T- v dengan region (daerah) Fase (https://ecourses.ou.edu/cgi-

bin/ebook.cgi?doc=&topic=th&chap_sec=02.2&page=theory)
Semua keadaan cair terkompresi terletak di daerah sebelah kiri dari garis cair jenuh
disebut sebagai daerah cair terkompresi (compressed liquid region). Semua keadaan uap panas
lanjut (superheated vapor) terletak di sebelah kanan garis uap jenuh, disebut daerah uap panas
lanjut (superheated vapor region). Di kedua daerah (region) ini, zat yang ada dalam fase tunggal
yaitu cair atau uap. Semua keadaan yang melibatkan kedua fase pada kesetimbangan yang
terletak di bawah kubah disebut daerah campuran cair-uap jenuh (saturated liquid-vapor mixture
region) atau daerah basah. Di atas titik tekanan kritis proses perubahan dari cair menjadi uap
tidak lagi terlihat jelas atau nyata. Terjadi perubahan secara spontan dari cair menjadi uap.

131

b. Diagram P-υ
Sekarang kita akan melihat hubungan antara perubahan tekanan terhadap volume jenis

dari air pada proses perubahan fase air. Bentuk dari diagram P-υ mirip dengan diagram T-υ.
Pada diagram P-υ garis suhu konstan mempunyai kecenderungan atau trend menurun
sedangkan pada diagram T-υ garis tekanan konstan mempunyai kecenderungan menaik
(Gambar 5.15).

Gambar 5.15
Diagram P-υ Perubahan Fase Air

Pada sistem piston silinder pada Gambar 5.16, pada mulanya akibat beban yang berada di
atas piston menyebabkan terjadinya tekanan pada air sebesar 1 Mpa. Misalkan suhu air di
dalam silinder adalah 150 °C. Pada tekanan 1 Mpa, air dengan suhu 150°C tersebut berada pada
keadaan compressed liquid (cair terkompresi). Dengan mengurangi beban di atas piston satu
persatu, maka tekanan air dalam silinder akan berkurang. Pada sistem ini, air dapat
membuang kalor ke sekelilingnya sehingga suhu air berada dalam keadaan konstan (proses
isotermal). Ketika tekanan dikurangi, maka volume air akan bertambah, dengan demikian
volume jenis juga bertambah.

Bila tekanan terus dikurangi hingga menjadi 0,4762 Mpa, air pada suhu 150°C tersebut
mulai mendidih. Ini merupakan titik saturated liquid untuk tekanan dan suhu tersebut. Dengan
menahan tekanan pada 0,4762 Mpa air akan terus menguap yang diikuti dengan peningkatan
nilai υ (volume jenis) hingga akhirnya seluruh air akan berubah menjadi uap yang mana ini
merupakan titik saturated vapor untuk tekanan dan suhu tersebut. Setelah semuanya menjadi

132

Bab 5 Sifat-sifat Termodinamika Zat Murni

uap, dengan mengurangi tekanan hanya akan menyebabkan terjadinya peningkatan dari

volume jenis. Proses ini digambarkan pada garis T1 = konstan pada Gambar 5.15.

Jika proses yang sama diulangi untuk suhu yang lebih

tinggi, maka garis yang sama akan diperoleh dengan garis

T1=konstan, namun ruas pada campuran saturated liquid –

vapor akan menjadi lebih pendek (lihat garis T2 = konstan di

atas). Bila suhu dinaikkan lagi, dan proses yang sama diulang,

akan tercapai suatu kondisi dimana ruas campuran saturated

liquid-vapor hanya berbentuk titik yang kita kenal dengan nama

titik kritis. Dengan menghubungkan titik-titik saturated liquid,

akan diperoleh garis cairan jenuh (saturated liquid line).

Sementara menghubungkan titik-titik saturated vapor akan

dapat garis uap jenuh (saturated vapor line). Kedua garis ini Gambar 5.16
bertemu di titik kritis (critical point) dapat dilihat pada Gambar Silinder diberi beban

5.17.

Gambar 5.17
Bentuk Diagram P-υ
(https://ecourses.ou.edu/cgi-bin/ebook.cgi?doc=&topic=th&chap_sec=02.2&page=theory)

Diagram-diagram yang telah dibahas pada pembahasan sebelumnya hanya
memperlihatkan proses perubahan fase dari cair menjadi uap. Diagram tersebut dapat
dikembangkan lagi untuk memasukkan fase beku (padat) kedalamnya. Semua zat padat pada
keadaan tertentu dengan kondisi volume, tekanan dan suhu yang memungkinkan dapat berada
dalam bentuk padat, cair dan gas atau uap. Semua zat dalam keadaan uap atau gas selalu
memuai bila suhunya naik pada tekanan konstan dan volumenya akan bertambah jika fasenya
berubah dari keadaan cair menjadi uap pada tekanan konstan. Tetapi tidak semua zat

133

volumenya bertambah jika fasenya berubah dari padat menjadi cair pada tekanan konstan.
Contoh karbondioksida (CO2) volumenya akan bertambah jika fasenya berubah dari keadaan
padat menjadi cair sedangkan air (H2O) volumenya berkurang.

Bila keadaan padat (beku) dimasukkan, maka terdapat dua fenomena yang terjadi pada
zat murni. Pada kebanyakan logam ketika membeku, maka volumenya akan menyusut,
sehingga nilai volume jenis fase padatnya lebih kecil dari pada fase cairnya, atau dengan kata
lain massa jenis fase padatnya lebih besar dari pada fasa cairnya.

Pada air ketika membeku, maka volumenya akan memuai sehingga nilai volume jenis
fase padatnya lebih besar dari pada fase cairnya, atau dengan kata lain massa jenis es lebih
rendah dari pada massa jenis air. Ini merupakan keistimewaan pada air. Anda bisa
membayangkan apa yang terjadi bila massa jenis es lebih tinggi dari massa jenis air. Es akan
tenggelam dalam air, dan es yang berada di kutub akan tenggelam kedasar laut yang
berlangsung secara terus menerus hingga seluruh bagian air di kutub akan membeku hingga
kedasarnya. Sebagai ilustrasi dari dua fenomena ini dapat dilihat pada Gambar 5.18 dan
Gambar 5.19.

Pada Gambar 5.18 dan 5.19 terlihat, ada garis yang disebut dengan garis triple line,
dimana kondisi tekanan dan suhunya tertentu, ketiga fase yaitu fase padat, fase cair dan fase
uap berada dalam kesetimbangan. Pada posisi triple line, walaupun volume jenis berbeda, suatu
zat akan memiliki tekanan dan suhu yang sama. Garis yang membatasi keadaan padat dan cair
disebut garis padat-cair. Garis yang membatasi keadaan padat dan uap disebut garis padat-uap
dimana pada garis ini padat dan uap dalam keadaan setimbang atau disebut kurva sublimasi.
Garis yang membatasi keadaan cair dan uap disebut garis cair-uap. Ketiga garis ini yakni garis
padat-cair, garis padat-uap, garis cair-uap dalam diagram P-T berpotongan dalam satu titik
disebut titik tripel (tripel point). Oleh sebab itulah, bila ditinjau dari diagram P-T, keadaan di
triple line hanya akan berbentuk sebuah titik yang disebut triple point. Untuk air, nilai tekanan
dan suhu di triple point adalah 0,6113 kPa dan 0,01 C. Dengan kata lain, ketiga fasa air hanya
akan ada pada tekanan dan suhu tepat diangka tersebut.

134

Bab 5 Sifat-sifat Termodinamika Zat Murni

Gambar 5.18 Gambar 5.19
Diagram P-υ zat murni menyusut saat Diagram P-υ zat murni mengembang saat

membeku (CO2) membeku (air)

c. Diagram P-T
Pada kondisi tertentu fase padat, cair dan gas berada dalam kesetimbangan. Pada

diagram P-υ keadaan ini akan membentuk suatu garis yang disebut triple line. Dalam diagram
P-T keadaan ini nampak sebagai suatu titik dan disebut triple point simbolnya T. Diagram P-T
untuk air dan karbondioksida dapat dilihat pada Gambar 5.20 dan 5.21.

Titik kritis Titik kritis
T T

Gambar 5.20 Gambar 5.21
Diagram P-T zat murni menyusut saat Diagram P-T zat murni mengembang saat

membeku (CO2) membeku (air)

Diagram P-T Gambar 5.20 dan 5.21 di atas, jika digabung menjadi seperti Gambar 5.22

berikut ini:

135

Pencairan Pembekuan
Evaporasi
Kondensasi

Sublimasi

Desublimasi

Gambar 5.22
Diagram P-T Zat Murni
Diagram P-T sering disebut sebagai diagram fase karena dalam diagram PT antara tiga
fase dipisahkan secara jelas, masing-masing dengan sebuah garis yaitu :
1) garis sublimasi (sublimation line) yang memisahkan daerah uap (vapor) dengan daerah padat
(solid). Proses dimana padatan menguap secara langsung tanpa melalui pencairan terlebih
dahulu. Proses sebaliknya disebut desublimasi.
2) Garis penguapan (vaporization line) memisahkan daerah cair dari daerah uap. Proses dimana
cairan berubah menjadi fase uap. Proses disini juga disebut penguapan. Proses sebaliknya
disebut kondensasi dimana terjadi perubahan fase uap ke cair.
3) Garis leleh (melting line) memisahkan daerah beku dari daerah cair. Proses dimana fase padat
berubah menjadi cair disebut mencair. Proses sebaliknya disebut pembekuan.
Pada Gambar 5.22, terlihat dua lokasi untuk garis leleh (melting line) yang dibedakan
dengan jenis garis. Garis putus-putus merupakan garis melting untuk zat yang memuai
(mengembang) saat membeku, sementara untuk zat yang menyusut saat membeku garis
melting berupa garis biasa. Terlihat pula bahwa kondisi cair hanya dapat terjadi pada tekanan
di atas tekanan triple point. Untuk zat yang menyusut saat beku, kondisi liquid ini juga harus
memenuhi syarat, bahwa suhunya haruslah berada di atas suhu triple point. Bila suhunya di
bawah suhu triple point, maka zat tersebut sudah dapat dipastikan berada dalam keadaan beku.
Untuk zat yang memuai saat beku seperti air, kondisi liquid dapat terjadi di bawah suhu triple
point apabila tekanannya jauh lebih tinggi dari tekanan triple point.

136

Bab 5 Sifat-sifat Termodinamika Zat Murni

Ketiga garis bertemu di triple point, garis penguapan (vaporisation) berakhir di titik kritis

karena tidak ada batas yang jelas antara fase cair dan fase uap.Tidak ada zat yang berada pada

fase cair jika tekanannya berada di bawah tekanan triple point. Ada dua cara zat padat berubah

menjadi uap Pertama melalui proses mencair kemudian menguap dan kedua fasepadat

berubah langsung menjadi fase gas (disebut menyublim). Menyublim hanya dapat terjadi pada

tekanan di bawah tekanan triple point.

RANGKUMAN

Zat murni merupakan zat yang digunakan dalam sistem termampatkan (compressibel)
sederhana, oleh karena itu zat murni sering disebut sebagai zat termampatkan
sederhan, misalnya pada air (water), nitrogen (N), helium (He), dan karbondioksida
(CO2)
Fase merupakan sejumlah zat yang mempunyai komposisi kimia dan struktur fisika
homogen. Struktur fisika dikatakan homogen apabila zat terdiri dari gas saja, cair saja
atau padat saja
Solid (padat) mempunyai struktur molekul dengan jarak antar molekul sangat dekat
sehingga gaya ikat antar molekul sangat kuat, maka bentuknya tetap. Liquid (Cair)
mempunyai struktur molekul dengan jarak antar molekul dekat sehingga gaya ikat
antar molekul lebih lemah dibandingkan padatan tetapi masih relatif kuat
dibandingkan gas. Gas mempunyai struktur molekul dengan jarak antar molekul
berjauhan dan susunannya acak.
Perubahan fase zat murni, keadaan :
1. Keadaan ini disebut compressed liquid atau subcooled liquid, dimana penambahan

panas hanya akan menaikkan (not about to vaporize)
2. Keadaan disebut saturated liquid (cairan jenuh). Fluida tepat akan berubah fasenya

(about to vaporize). Akan mengalami sedikit penambahan volume
3. Keadaan disebut “Saturated liquid - vapor mixture” (campuran uap - cairan jenuh).

Pada keadaan ini uap dan cairan jenuh berada dalam kesetimbangan.
Penambahan panas tidak menaikkan suhu tetapi menambah jumlah penguapan
4. Keadaan ini campuran tepat berubah jadi uap seluruhnya, disebut “saturated
vapor” (uap jenuh) (“about to condense”)
5. Keadaan disebut “superheated vapor” (uap panas lanjut). Penambahan panas
akan menyebabkan kenaikkan suhu dan volume.
Titik Kritis adalah Suatu titik dimana keadaan dari saturated liquid dan saturated vapor
adalah sama.
Ketiga garis ini yakni garis padat-cair, garis padat-uap, garis cair-uap dalam diagram
P-T berpotongan dalam satu titik disebut titik tripel (tripel point)

137

Latihan soal

1. Apakah air es merupakan zat murni?
2. Ketika kita memasak daging dengan menggunakan panci bagaimanakah agar daging

tersebut lebih cepat matang? Apakah tanpa tutup panci, dengan tutup panci yang ringan?
Atau dengan tutup panci yang berat?
3. Bagaimanakah perbedaan proses mendidih pada tekanan superkritis dengan tekanan
subkritis?
4. Apakah air lebih cepat mendidih di tekanan yang lebih tinggi? Jelaskan!
5. Jika suatu zat meningkat seama proses memasak, akankah suhu nya meningkat atau akan
tetap konstan? Jelaskan!
6. Apakah perbedaan antara cairan jenuh dengan cairan tekan?
7. Jelaskan apa yang dimaksud dengan kualitas uap?
8. Apa yang dimaksud dengan triple point dan titik kritis ?
9. Sebutkan dan jelaskan fase dari zat murni berdasarkan molekulnya?
10. Berapakah sifat yang dibutuhkan untuk menggambarkan keadaan dari zat murni ?

138