Transcript

MAKALAH

MATERIAL TEKNIK

“DIFFUSION IN SOLID”

Disusun Oleh :

Damar Dwiyadi Pratama (3333101066)

JURUSAN TEKNIK INDUSTRI FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SULTAN AGENG TIRTAYASA

2011

KATA PENGANTAR

Puja dan puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa karena berkat limpahan

rahmat dan hidayahnya, penulis dapat menyelesaikan makalah ini.

Makalah ini dibuat oleh penulis dalam rangka memenuhi tugas mata kuliah material teknik di

program pendidikan sarjana teknik industri Universitas Sultan Ageng Tirtayasa. Selain itu juga

bertujuan agar mengerti tentang difusi dalam padatan.

Terimakasih penulis ucapkan untuk pribadi-pribadi yang telah memberi bantuam moral dalam

penyelesaian makalah ini. Penulis sadar bahwa tidak ada yang sempurna di dunia ini. Oleh

karenanya saran dan kritik yang membangun dapat pembaca berikan agar penulis bias menjadi

lebih baik lagi dikemudian waktu.

Cilegon, 15 Oktober 2011

Damar Dwiyadi Pratama

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL………………………………………………………………………. i

KATA PENGANTAR……………………………………………………………………... ii

DAFTAR ISI………………………………………………………………………………. iii

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Difusi……………………………………………………………………………1

1.2 Macam –Macam Difusi…………………………………………………………2

1.2.1 Difusi Cair…………………………………………………………..2

1.2.2 Difusi Padat…………………………………………………………2

1.2.3 Difusi Gas…………………………………………………………...2

BAB II PEMBAHASAN

2.1 Persamaan Arrhenius……………………………………………………………4

2.2 Mekanisme Difusi………………………………………………………………5

2.3 Fenomena Interdifusi……………………………………………………………6

2.4 Self-diffusion……………………………………………………………………7

2.5 Difusi Volume…………………………………………………………………..8

2.6 Difusi Bidang Batas…………………………………………………………….8

2.7 Difusi Permukaan……………………………………………………………….9

2.8 Efek Hartley-Kirkendall………………………………………………………...10

2.9 Difusi Dan Ketidak-Sempurnaan Kristal………………………………………..10

BAB III PENUTUP

3.1 Kesimpulan………………………………………………………………………12

Daftar Pustaka

BAB I

PENDAHULUAN

Difusi memainkan peran kunci dalam banyak proses yang beragam seperti

mencampurkan gas dan cairan, perembesan atom atau molekul melalui

membran, penguapan cairan, pengeringan kayu, doping wafer silikon untuk

membuat perangkat semikonduktor, dan transportasi neutron termal di reactor nuklir. Tingkat

reaksi kimia yang penting, dibatasi oleh seberapa cepat difusi dapat membawa sebuah reaktan

secara bersamaan atau mengantar mereka ke tempat terjadinya reaksi pada enzim. Atau katalis

yang lainnya.

1.1 DIFUSI

Difusi adalah peristiwa mengalirnya/berpindahnya suatu zat dalam pelarut dari bagian

berkonsentrasi tinggi ke bagian yang berkonsentrasi rendah. Perbedaan konsentrasi yang ada

pada dua larutan disebut gradien konsentrasi. Difusi akan terus terjadi hingga seluruh partikel

tersebar luas secara merata atau mencapai keadaan kesetimbangan dimana perpindahan molekul

tetap terjadi walaupun tidak ada perbedaan konsentrasi. Contoh yang sederhana adalah

pemberian gula pada cairan teh tawar. Lambat laun cairan menjadi manis. Contoh lain adalahuap

air dari cerek yang berdifusi dalam udara. Difusi yang paling sering terjadi adalah difusi

molekuler. Difusi ini terjadi jika terbentuk perpindahan dari sebuah lapisan (layer) molekul yang

diam dari solid atau fluida.

Ada beberapa faktor yang memengaruhi kecepatan difusi, yaitu:

Ukuran partikel. Semakin kecil ukuran partikel, semakin cepat partikel itu akan bergerak,

sehinggak kecepatan difusi semakin tinggi.

Ketebalan membran. Semakin tebal membran, semakin lambat kecepatan difusi.

Luas suatu area. Semakin besar luas area, semakin cepat kecepatan difusinya.

Jarak. Semakin besar jarak antara dua konsentrasi, semakin lambat kecepatan difusinya.

Suhu. Semakin tinggi suhu, partikel mendapatkan energi untuk bergerak dengan lebih cepat.

Maka, semakin cepat pula kecepatan difusinya

1.2 MACAM-MACAM DIFUSI

Proses difusi yang kita ketahui terbagi ke dalam 3 jenis yaitu difusi pada material cair, difusi

pada material padat, dan difusi pada material gas.

1.2.1 Difusi cair

Dikatakan difusi cair jika terjadi perpindahan molekul cairan dari konsentrasi tinggi ke

konsentrasi rendah. Contohnya yaitu ketika kita merendam kedelai dalam air saat pembuatan

tempe. Selama perendaman akan terjadi difusi air dari lingkungan luar (yang kadar airnya tinggi)

ke dalam kedelai (yang kadar airnya rendah).

1.2.2 Difusi padat

Dikatakan difusi padat jika terjadi perpindahan molekul padatan dari konsentrasi tinggi ke

konsentrasi rendah. Contohnya yaitu ketika kita melakukan perendaman buah dengan larutan

gula dalam pembuatan manisan buah. Selama perendaman selain terjadi difusi air dari

lingkungan luar ke dalam buah juga terjadi difusi molekul gula (molekul padatan) ke dalam buah

dan ini berarti difusi padatan juga terjadi dalam pembuatan manisan buah ini. Selama ini batasan

antara kapan terjadinya difusi air dengan difusi padatan masih belum jelas karena prosesnya

sering terjadi bersamaan dan susah untuk dibedakan.

1.2.3 Difusi gas

Dikatakan difusi gas jika terjadi perpindahan molekul gas dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi

rendah. Contohnya yaitu difusi O2 pada pengemas plastik. Ketika kita menggunakan pengemas

plastik untuk membungkus suatu bahan, maka selama penyimpanan akan terjadi difusi oksigen

dan uap air dari lingkungan luar ke dalam plastik pengemas. Jumlah oksigen dan uap air yang

dapat masuk ke dalam plastik pengemas bervariasi tergantung permeabilitas dari plastik

pengemas tersebut. Semakin banyak jumlah oksigen dan uap air yang dapat masuk ke dalam

plastik pengemas berarti kualitas plastik pengemasnya semakin buruk. Disini, difusi oksigen

merupakan difusi gas dan difusi uap air merupakan difusi cair.

Difusi dalam material padat merupakan subjek yang akan dibahas. Sejak lama, reaksi dalam

keadaan padat telah diterapkan. Seperti pada pengerasan permukaan baja yang menurut ilmu

pengetahuan kita sekarang melibatkan difusi atom karbon dalam kisi kristal besi.

BAB II

PEMBAHASAN

2.1 PERSAMAAN ARRHENIUS

Analisis matematis memberikan dasar untuk menafsirkan hasil-hasil eksperimen. Namun

eksperimen itu sendiri merupakan proses yang tidak mudah dilakukan. Dari hasil eksperimen

diketahui bahwa koefisien difusi, D, mengikuti persamaan Arrhenius

Persamaan Arrhenius adalah persamaan yang menyangkut laju reaksi. Arrhenius (ahli kimia

Swedia, 1859 - 1927) menyatakan bahwa laju reaksi, Lr , dapat dinyatakan dengan relasi

di mana Q adalah apa yang disebut energi aktivasi (activation energy) dalam satuan calori/mole,

R adalah konstanta gas (1,98 cal/mole K), T temperatur absolut K, sedangkan k adalah konstanta

laju reaksi yang tidak tergantung pada temperatur. Relasi (15.1) disebut persamaan Arrhenius.

Persamaan Arrhenius ini diperoleh dari hasil-hasil percobaan dan bukan diturunkan secara teori.

2.2 MEKANISME DIFUSI

Mekanisme terjadinya difusi terbagi oleh difusi vacancy dan difusi interstitial. Difusi Vacancy

adalah mekanisme perpindahan atom karena ada kekosongan tempat. Kekosongan ini akan diisi

oleh atom yang lain.

Gambar 2.1: Difusi Vacancy

Difusi interstitial adalah mekanisme perpindahan atom karena gerakan atom yang terjadi di

dalam rongga atom.

Gambar 2.2: Difusi Interstitial

2.3 FENOMENA INTERDIFUSI

Interdifusi merupakan salah satu dari teori adhesi. Dalam teori ini, adhesi dinyatakan pada

jalinan antar-molekul pada antar-muka. Salah satu aplikasinya adalah penyatuan pada polimer

dengan berat molekul yang tinggi. Konsep utamanya adalah adhesi meningkat melalui interdifusi

dari adherend dan adhesive. Perbedaan utama adalah bahwa teori ini bias diaplikasikan pada tiga

dimensi proses dibandingkan dua dimensi proses. Interdifusi dapat terjadi karena adanya pelarut

dan jumlah difusi tergantung pada penyesuaian molekul, konstituen yang terlibat dan kemudahan

pergerakan molekul. Daerah antar-muka yang terbentuk mempunyai ketebalan yang kuat, dan

sifat mekanis, fisik, dan kimianya berbeda dari penguat dan matriknya, tetapi interdifusi tidak

selalu menguntungkan karena bisa terbentuk senyawa yang tidak diinginkan, biasanya ketika

lapisan oksida terbentuk pada fiber dan menggangu pada tekanan dan tekanan tinggi saat proses

fasa padat.

Dalam aloi, atom cenderung untuk bermigrasi dari daerah yang berkonsentrasi tinggi ke daerah

yang berkonsentrasi rendah. Aloi adalah kombinasi, dalam larutan atau senyawa, dua atau

lebih elemen, dan paling tidak salah satunya adalah logam, dan hasilnya memiliki

properti metalik. Aloi dengan dua komponen disebut aloi binari; 3 komponen disebut aloi ternari;

4 komponen disebut aloi quaternari. Hasilnya adalah zat metalik dengan sifat berbeda dari

komponennya.

Aloi biasanya didesain untuk memiliki sifat yang lebih menguntungkan dibanding dengan

komponennya. Misalnya, baja lebih kuat dari besi, salah satu elemen utamanya,

dan kuningan lebih tahan lama dari tembaga, tapi lebih menarik dari seng.

Gambar 2.1: Interdifusi pada Cu dan Ni

2.4 SELF-DIFFUSION

Self-diffusion adalah gerakan spontanitas atom dari suatu lokasi ke lokasi lain yang terjadi masih

dalam kristal jenis sendiri.

Gambar 2.2: Self-diffusion

Dari gambar diatas, dapat diambil informasi bahwa atom A, B, C, dan D sedang terjadi proses

self-diffusion.

2.5 DIFUSI VOLUME

Difusi volume (volume diffusion) adalah transfer materi menembus volume materi lain. Pada

umumnya, atom yang bermigrasi dalam difusi volume pada padatan menghadapi halangan yang

lebih besar dibandingkan dengan halangan yang dihadapi pada difusi volume dalam cairan atau

gas. Hal ini terlihat dari enthalpi aktivasi atau energi aktivasi yang diperlukan untuk terjadinya

difusi menembus volume-padatan dibandingkan dengan enthalpi aktivasi yang diperlukan untuk

terjadinya difusi menembus volume-cairan atau volume-gas.

Dalam struktur kristal, adanya kekosongan posisi atom memungkinkan atom di sebelahnya

bergerak mengisi kekosongan tersebut sementara ia sendiri meninggalkan tempat semula yang ia

isi menjadi kosong. Posisi kosong yang baru terbentuk akan memberikan kemungkinan untuk

diisi oleh atom di sebelahnya; dan demikian seterusnya. Mekanisme ini merupakan mekanisme

yang paling mungkin untuk terjadinya difusi internal. Kemungkinan lain adalah adanya atom

yang lepas dari kisi kristalnya dan menjadi atom interstisial dan menjadi mudah bergerak.

Jika dimensi atom yang berdifusi jauh lebih kecil dari dimensi atom materi yang harus ditembus,

difusi interstisial mudah berlangsung. Mekanisme ini terjadi misalnya jika karbon, nitrogen,

oksigen, dan hidrogen berdifusi ke dalam metal. Hal yang sama terjadi pada difusi ion-ion alkali

ke dalam gelas silikat. Kehadiran atom-atom asing dalam posisi interstisial metal sangat

mempengaruhi sifat-sifat mekanis metal.

2.6 DIFUSI BIDANG BATAS

Gambar 2.3. Difusi bidang batas

Difusi Bidang Batas. Apabila di dalam padatan hadir butiran-butiran yang berlainan fasa dengan

material induk, terbentuklah bidang batas antara butiran dengan material induk dan terjadilah

gejala permukaan. Di bidang batas ini terdapat energi ekstra yang akan menyebabkan materi

yang berdifusi cenderung menyusur permukaan. Peristiwa ini dikenal dengan difusi bidang batas

(grain boundary diffusion). Energi aktivasi yang diperlukan pada difusi bidang batas ini lebih

rendah dari energi aktivasi pada difusi volume.

2.7 DIFUSI PERMUKAAN

Gambar 2.4. Difusi Permukaan

terjadi manakala ada retakan; materi yang berdifusi cenderung menyusur permukaan retakan.

Difusi macam ini dikenal dengan difusi permukaan (surface diffusion). Konsentrasi di

permukaan retakan lebih tinggi dari konsentrasi di volume. Energi aktivasi yang diperlukan

untuk terjadinya difusi permukaan lebih rendah dibanding dengan energy aktivasi yang

diperlukan untuk terjadinya difusi bidang batas.

Jadi jika Qvol adalah energi aktivasi untuk difusi volume, Qbb adalah energi aktivasi untuk

difusi bidang batas, dan Qperm adalah energy aktivasi untuk difusi permukaan, maka

Qvol > Qbb > Qperm

Tidak banyak sistem di mana ketiga macam energi aktivasi tersebut dapat ditentukan; dari yang

sedikit itu diperoleh perbandingan

Qvol : Qbb : Qperm ≈ 4 : 3 : 2 atau 4 : 2 : 1

Sejalan dengan perbedaan energi aktivasi, maka koefisien difusi mempunyai nilai

Dperm > Dbb > Dvol

2.8 EFEK HARTLEY-KIRKENDALL

Penelitian proses difusi antara asetat selulosa dan aseton oleh Hartley, dan antara tembaga dan

kuningan oleh Kirkendall, dipandang sebagai pembuktian terjadinya difusi melalui mekanisme

pengisian kekosongan posisi atom. Suatu proses difusi yang rumit terjadi apabila difusi biner

antara dua material A dan B berlangsung dengan kecepatan yang berbeda; material B berdifusi

menembus A jauh lebih cepat dibandingkan dengan difusi materi A menembus B. Perbedaan

kecepatan difusi yang besar membuat seolah-olah batas antara A dan B bergeser ke arah B.

Transportasi materi B ke arah A yang berlangsung demikian cepat, meninggalkan rongga-rongga

di B.

Efek Hartley-Kirkendal juga menunjukkan bahwa difusi timbal balik dalam alloy biner terdiri

dari dua jenis pergerakan materi yaitu A menembus B dan B menembus A. Analisis yang

dilakukan oleh Darken menunjukkan bahwa dalam proses yang demikian ini koefisien difusi

terdiri dari dua komponen yang dapat dinyatakan dengan

D = XbDa + XaDb

Xa dan Xb adalah fraksi molar dari a dan b, Da adalah koefisien difusi b menembus a (murni),

dan Db adalah koefisien difusi a menembus b (murni).

2.9 DIFUSI DAN KETIDAKSEIMBANGAN KRISTAL

Kekosongan posisi atom dalam kristal merupakan salah satu ketidaksempurnaan kristal yang

agak istimewa. Tidak seperti yang lain, kekosongan posisi ini hadir dalam keseimbangan di

semua kristal. Padatan menjadi “campuran” antara “kekosongan” dan “isian”. Jika :v adalah

jumlah posisi kosong, :0 adalah total seluruh posisi, dan Ev adalah energi yang diperlukan untuk

membuat satu posisi kosong, maka perhitungan (yang tidak kita berikan di sini) memberikan

relasi

Sebagai gambaran, Ev = 20 000 cal/mole, maka pada 1000K ada satu kekosongan posisi dalam

105 posisi atom. Perhitungan ini adalah untuk kristal murni. Dalam kenyataan suatu padatan

mengandung pengotoran yang dapat melipatgandakan jumlah kekosongan, suatu hal yang akan

mempermudah terjadinya difusi. Selain migrasi kekosongan, migrasi interstisial dapat pula

terjadi apabila atom materi yang berdifusi berukuran cukup kecil dibandingkan dengan ukuran

atom material yang ditembusnya.

Pada kristal ionik terdapat ketidak-sempurnaan Frenkel dan ketidaksempurnaan Schottky.

Ketidak-sempurnaan ini tidak mengganggu kenetralan listrik, dan kristal tetap dalam

keseimbangan sebagaimana yang terjadi pada kehadiran kekosongan posisi. Ketidak-sempurnaan

Frenkel berupa kekosongan kation perpasangan dengan kation interstisial; ketidaksempurnaan

Schottky berupa pasangan kekosongan kation dan anion.

Ketidak-sempurnaan mana yang akan terjadi tergantung dari besar energi yang diperlukan untuk

membentuk kation interstisial atau kekosongan anion. Pada kristal ionik konduktivitas listrik

pada temperatur tinggi terjadi karena difusi ion dan hampir tidak ada kontribusi elektron. Oleh

karena itu konduktivitas listrik sebanding dengan koefisien difusi.

σd adalah konduktivitas listrik oleh konduksi ion, Cd dan qd adalah konsentrasi dan muatan dari

ketidak-sempurnaan yang berperan, kd tergantung dari macam ketidak-sempurnaan; kd = 1 untuk

ion interstisial, sedangkan untuk kekosongan sedikit lebih besar dari 1.

BAB III

PENUTUP

3.1 Kesimpulan

Difusi adalah peristiwa di mana terjadi transfer materi melalui materi lain. Transfer materi ini

berlangsung karena atom atau partikel selalu bergerak oleh agitasi thermal. Walaupun

sesungguhnya gerak tersebut merupakan gerak acak tanpa arah tertentu, namun secara

keseluruhan ada arah neto dimana entropi akan meningkat.

Difusi merupakan proses irreversible. Pada fasa gas dan cair, peristiwa difusi mudah terjadi;

pada fasa padat difusi juga terjadi walaupun memerlukan waktu lebih lama. Cacat kristal yang

berupa kekosongan posisi atom, memberikan peluang untuk menyusupnya atom asing. Atom

asing juga berpeluang menempati posisi interstisial, terutama jika ukuran atom asing tersebut

lebih kecil dari ukuran atom material induk. Posisi interstisial ini lebih memberikan kemudahan

bergerak bagi atom asing maupun atom sendiri.

DAFTAR PUSTAKA

Mehrer, Helmut. 2007. Diffusion In Solids. Munster: Springer

Utari, Ning., Sudaryatno Sudirham. 2010. Mengenal Sifat-Sifat Material.Bandung: Darpublic


Top Related