MAKALAH MATERIAL TEKNIK “DIFFUSION IN SOLID”
Disusun Oleh : Damar Dwiyadi Pratama (3333101066)
JURUSAN TEKNIK INDUSTRI FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SULTAN AGENG TIRTAYASA TI RTAYASA 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
mencampurkan membran,
peran
gas
dan
penguapan
kunci cairan,
cairan,
dalam
banyak
perembesan
pengeringan
proses atom
kayu,
doping
yang atau
beragam molekul
wafer
seperti melalui
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
dan kuningan lebih tahan lama dari tembaga, tapi lebih menarik dari seng.
elemen
utamanya,
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
