Hukum Fick dan Diffusivitas pada Material

Pada bagian I, kita telah dikenalkan dengan hukum viskositas newton yang menggambarkan transport momentum akibat gradien kecepatan. Pada bagian 6, kita juga telah membahas hukum fourier tentang konduksi panas yang menggambarkan transfer energi akibat gradien temperatur. Pada bagian ini, kita akan belajar hukum fick tentang difusi yang menggambarkan transfer zat/spesies melalui sebuah fasa akibat adanya gradien dari spesies tersebut.

Laju pada proses metalurgi ditunjukkan melalui difusi. Fenomena tersebut sangat penting untuk menentukan perlakuan panas pada logam. Proses karburisasi baja, oksidasi logam, dan reaksi slag dan logam adalah beberapa contoh kecil dari beberapa kontrol proses difusi dalam dunia metalurgi.

Pada proses metalurgi lain, banyak yang mendefinisikan laju sebagai laju reaksi pada permukaan antara dua fase. Jarang orang metalurgi menyebut tranport diffusional. Kinetika digambarkan sebagai laju reaksi yang mematuhi hukum Fick tentang diffusi. Seperti yang kita ketahuim banyak proses merupakan kontrol campuran, bukan hanya satu kontrol saja.

Gambar berikut akan mengilustrasikan contoh dimana lembaran besi yang dikarburisasi dalam furnace pada temperatur tertentu menggunakan reaksi sebagai berikut:

CH4 = C + H2

Proses Karburisasi Besi
Proses Karburisasi Besi

Laju karburisasi beso berhubungan dengan variabel sistem seperti laju alir gas, komposisi gas, tekanan, temperatur, tebal lembaran besi dll. Tahapan prosesnya secara berurutan sebagai berikut:

  1. Transport metana pada arah aliran gas
  2. Tranport metana normal pada permukaan beso.
  3. Boundary reaction
  4. Difusi karbon dari permukaan hingga bagian dalam lembaran besi
  5. Difusi balik hidrogen menuju aliran gas di luar lembaran beso

Pada umumnya, proses metalurgi terjadi dengan beberapa langkah yang melibatkan fasa (gas, padat, dan cair) pada batas fasa yang berbeda. Ketika salah satu langkah lebih lambat daripada yang lain, maka kondisi batas akan terbentuk dan laju yang menentukan keseluruhan laju reaksinya. Jika tidak ada langkah yang lebih lambat maka, kondisi campuran akan terbentuk. Hal ini merupakan permasalahan aliran panas paralel dalam proses difusi dari panas dari atau ke material tersebut. Proses tersebut dapat dikontrol dengan difusivitas termal atau koefisien transfer pada permukaan.

Pada bagian ini, kita akan mempelajari Hukum Fick tentang diffusi dan beberapa koefisien difusi beberapa material. Kemmudian kita akan mendiskusikan tentang prediksinya terhadap beberapa fasa dan penerapannya. Pada bagian berikutnya akan lebih berisi tentang beberapa penyelsaian hukum Fick pertama dan kedua di dalam kondisi difusi yang terkontrol yang sering ditemui dalam kondisi padat di dunia metalurgi. Pada dua bagian terakhir akan diberikan pengantar tentang transfer massa pada fluida yang akan dikombinasikan dengan kinetika reaksinya.

Hukum Fick dan Diffusivitas Material

Transfer massa degan difusi merupakan proses yang kompleks. Ketika kita berbicara tentang proses difusi pada situasi multi-component, kita harus menyadari bahwa laju pergerakan pada beberapa komponen tersebut bisa saja berbeda satu dengan yang lain. Dan laju tersebut sangat bergantung pada konsentrasinya. Untuk memulainya, kita awali dengan pembahasan tentang persamaan laju difusi dan divusivitas pada berbagai material.

Definisi Flux – Hukum Fick I

Difusi adalah pergerakan spesies dari daerah dengan konsentrasi tinggi menuju daerah dengan konsentrasi rendah. Secara umum, laju diffusi berbanding lurus dengan gradien konsentrasi. Lihat gambar 13.1 yang merupakan plat tipis besi murni.

Tekanan hidrogen pada kedua sisi plat besi tersebut sama yang berarti setimbang, dimana konsentrasi hidrogen yang terlarut dalam besi sudah merata disemua dimensi plat. Pada saat t = 0, permukaan bagian atas dikenai tekanan gas yang lebih besar sehingga membuat konsentrasi hidrogen yang baru pada permukaan. Material di bawah permukaan secara berkala diperkaya oleh hidrogen yang terdifusi dari konsentrasi tinggi pada permukaan atas menuju daerah dengan konsentrasi lebih rendah. Profil konsentrasi steady state akan tercapai ketika laju hidrogen konstan.

Jika konsentrasi komponen A diberikan pada unit massa, maka persamaan laju difusiny dapat ditulis sebagai berikut:

 pers 1

Dalam penerapan di bidang metalurgi biasanya persamaan ditulis dalam konsentrasi molar:

 pers 2

Namun, ketika terdapat densitas dari spesies berbeda maka dapat pula dituliskan menurut Hukum Fick I berikut:

 pers 3

Jika ditulis dalam bentuk konsentrasi molar maka akan berbunyi sebagai berikut:

pers 4

Sedikit yang bisa saya tulis, semoga bermanfaat.

Advertisements

One thought on “Hukum Fick dan Diffusivitas pada Material

Kritik, saran, dan masukan anda sangat berharga bagi kami

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s