Kesetimbangan uap cair

Kesetimbangan uap cair adalah kondisi dimana liquid dan gasnya berada pada kesetimbangan satu sama lain, kondisi dimana kecepatan evaporasi sama dengan kecepatan kondensasi pada level molekuler.

Suatu substansi yang berada pada kesetimbangan uap-cair umumnya disebut fluida jenuh. Untuk spesies kimia murni, hal ini sama dengan kondisi spesies pada titik didihnya.

Kesetimbangan uap cair (bahasa Inggris: Vapor–liquid equilibrium/VLE)

Kesetimbangan Uap Cair - Termodinamika - Komponen murni - Titik jenuh — Kesetimbangan Uap Cair – Termodinamika – Komponen murni – Titik jenuh. Ilustrasi foto: PinterPandai

Penjelasan termodinamika

Termodinamika menjelaskan berbagai properti kesetimbangan uap-cair untuk komponen murni maupun campuran.

Sistem satu komponen (komponen murni)

Jika liquid dan uap murni, maka keadaan kesetimbangan antar 2 fase dijelaskan oleh persamaan:

P^{liq}=P^{vap}\,

;

T^{liq}=T^{vap}\,

; and

{\tilde {G}}^{liq}={\tilde {G}}^{vap}

dengan $P^{liq}\,$ dan $P^{vap}\,$ adalah tekanan liquid dan uap, $T^{liq}\,$ dan $T^{vap}\,$ adalah suhu liquid dan uap, dan ${\tilde {G}}^{liq}$ dan ${\tilde {G}}^{vap}$ adalah energi bebas Gibbs molar liquid dan uap. Temperatur, tekanan, dan energi bebas Gibbs liquid dan uap nilainya sama untuk komponen murni dalam kesetimbangan.

Kondisi kesetimbangan uap-cair juga dapat menggunakan konsep fugasitas. Kesetimbangan dapat dijelaskan melalui persamaan berikut:

f^{\,liq}(T_{s},P_{s})=f^{\,vap}(T_{s},P_{s})

dengan $f^{\,liq}(T_{s},P_{s})$ dan $f^{\,vap}(T_{s},P_{s})$ adalah fugasitas liquid dan uap, pada suhu $T s$ dan tekanan $P s$ sistem.

Fugasitas

Fugasitas ditentukan secara eksperimen atau diestimasi melalui berbagai model seperti gas Van der Waals yang mendekati gas nyata. Tekanan gas ideal dan fugasitas berhubungan melalui koefisien tak berdimensi yang disebut koefisien fugasitas $\phi \,$ .

\phi =f/P\,

Sebagai contoh, gas nitrogen pada 100 atm, koefisien fugasitasnya 0.9703. Untuk gas ideal, fugasitas sama dengan tekanan sehingga $\phi \,$ bernilai 1.

Fugasitas liquid murni

Untuk liquid murni pada kesetimbangan uap-cair, fugasitas fasa uap sama dengan fugasitas fasa liquid. Pada tekanan diatas tekanan uap, fugasitas fasa liquid adalah:

f^{\rm {liq}}(T,P)=\phi ^{\rm {sat}}P^{\rm {sat}}{\rm {exp}}\left[\int _{P^{\rm {sat}}}^{P}{v_{\rm {liq}} \over RT}dP\right]

dengan $v_{\rm {liq}}$ adalah volume molar liquid.

Faktor koreksi fugasitas, $\phi ^{\rm {sat}}$ , dihitung pada tekanan uap. Bagian eksponensial dari persamaan adalah faktor koreksi Poynting dan nilainya mendekati 1.0 kecuali tekanannya sangat besar.

Diagram titik jenuh

Data campuran biner VLE pada data tertentu, menunjukkan fraksi mol uap dan liquid (cairan) pada beberapa temperatur untuk tekanan tetap.

Fraksi mol komponen 1 pada campuran dilambangkan dengan $x 1$ . Fraksi mol komponen 2 dilambangkan dengan $x 2$ , dengan hubungan sebagai berikut:

x 1 + x 2 = 1

Untuk campuran multi komponen dengan n komponen, menjadi:

x 1 + x 2 + \dots + x n = 1

Pada diagram titik jenuh larutan biner, temperatur (

T

) digrafikkan vs.

x 1

. Pada suhu berapapun dimana kedua fase eksis, uap dengan fraksi molnya berada pada kesetimbangan dengan liquid dengan fraksi mol tertentu. Kedua fraksi mol ini nilainya berbeda.

Fraksi mol uap dan liquid ditunjukkan pada 2 titik pada garis horizontal (suhu) yang sama. Garis yang dibawah, menunjukkan fraksi mol liquid mendidih pada berbagai temperatur, disebut kurva bubble point. Garis yang atas, menunjukkan fraksi mol uap pada berbagai temperatur, disebut kurva dew point.

Nilai K dan volatilitas relatif

Data campuran VLE bisa sampai 4 komponen atau lebih, dan diagram titik didih susah disajikan. Maka, data kesetimbangan uap-cair diberikan dalam bentuk nilai K $K$ (rasio distribusi uap-cair) didefinisikan sebagai

K_{i}={\frac {y_{i}}{x_{i}}}

dengan $y i$ dan $x i$ adalah fraksi mol $i$ pada fasa gas dan cair.

Untuk hukum Raoult

K_{i}={\frac {P_{i}^{\star }}{P}}

Untuk hukum Raoult modifikasi

K_{i}={\frac {\gamma _{i}P_{i}^{\star }}{P}}

dengan $\gamma _{i}$ adalah koefisien aktivitas, $P i$ tekanan parsial dan $P$ adalah tekanan.

Nilai rasio $K i$ dikorelasikan secara empiris atau teoretis dalam bentuk persamaan, tabel, atau grafik seperti diagram DePriester charts.

Untuk campuran biner, rasio nilai

K

untuk 2 komponen disebut volatilitas relatif ditandai dengan

α

\alpha ={\frac {K_{i}}{K}}_{j}={\frac {(y_{i}/x_{i})}{(y_{j}/x_{j})}}

yang menunjukkan ukuran relatif susah atau mudahnya memisahkan kedua komponen. Distilasi industri skala besar jarang dilakukan untuk volatilitas relatif kurang dari 1,05.

Nilai $K$ digunakan luas pada perhitungan desain kolom distilasi kontinu untuk pemisahan campuran multikomponen.

Contoh Soal dan Jawaban Kesetimbangan Uap Cair

1,5 m³ gas helium yang bersuhu 27^oC dipanaskan secara isobarik sampai 87^oC. Jika tekanan gas helium 2 x 10⁵ N/m² , gas helium melakukan usaha luar sebesar…

A. 60 kJ
B. 120 kJ
C. 280 kJ
D. 480 kJ
E. 660 kJ

Pembahasan:
Data:

V₁ = 1,5 m³
T₁ = 27^oC = 300 K
T₂ = 87^oC = 360 K
P = 2 x 10⁵ N/m²

W = PΔV
Mencari V₂ :
^V₂/_T2 = ^V₁/_T1
V₂ = ( ^V₁/_T1 ) x T₂ = ( ^1,5/₃₀₀ ) x 360 = 1,8 m³
W = PΔV = 2 x 10⁵(1,8 − 1,5) = 0,6 x 10⁵ = 60 x 10³ = 60 kJ

Suatu tabung berdiameter 0,4 cm jika dimasukkan secara vertikal ke dalam air, sudut kontaknya 60°. Jika tegangan permukaan air 0,5 N/m dan g = 10 m/s2, tentukanlah kenaikan air pada tabung.

Jawaban:

Diketahui: dtabung = 0,4 cm, θ = 60°, γ = 0,5 N/m, dan g = 10 m/s2.
h = 0,025 m = 2,5 cm.

Bacaan Lainnya

Unduh / Download Aplikasi HP Pinter Pandai

Respons “Ooo begitu ya…” akan lebih sering terdengar jika Anda mengunduh aplikasi kita!

Siapa bilang mau pintar harus bayar? Aplikasi Ilmu pengetahuan dan informasi yang membuat Anda menjadi lebih smart!

Sumber bacaan: Wolfram

Kesetimbangan Uap Cair

Kesetimbangan uap cair