GETARAN ATOM Pada suhu 0K (-2730C), atom-atom tidak bergerak karena atom dalam keadaan energi terendah. Sedangkan bila suhu naik, energi akan meningkat sehingga atom-atom akan bergetar dengan jarak antar atom yang semakin besar pula.
Ea=
Jarak antar atom (a)
Ea=
Jarak antar atom (a)
ET0 0 a’
ET0 0 a’
Energi dan pemuaian (a). bahan padat dengan ikatan kuat (b) bahan ikatan lemah
Dengan penambahan energi termal, jarak antara atom rata-rata dalam bahan dengan lengkung energi yang dalam, tak banyak berubah. Pemuaian lebih menonjol pada suhu yang lebih tinggi. Simpangan dalam dua arah tidak simetri, untuk suatu level energi tertentu atom-atom dapat saling menjauhi dengan lebih mudah dan lebih sulit untuk menekannya, sehingga menghasilkan muai panas. Pada suhu tertentu, tidak semua atom (molekul) mempunyai energi yang sama pada saat tertentu, terdapat suatu spectrum energi di antara atomatom mulai dari nilai mendekati nol sampai nilai yang sangat tinggi (tetapi tetap mendekati harga rata-rata) Sebaliknya untuk periode waktu tertentu, setiap atom akan dapat memiliki serangkaian nilai energi mulai dari sekitar nol sampai nilai yang sangat tinggi (tetapi tetap mendekati harga rata-rata) Dalam dua kondisi ini, atom kemungkinan mempunyai cukup energi untuk memutuskan ikatannya dan melompat ke posisi baru dan mengalami suatu proses difusi. Energi kinetik total (Ek) dari satu mol gas naik sebanding dengan naiknya suhu sehingga berlaku :
Ek 3 RT 3 kT 2 2
Distribusi energi getaran atom dalam cairan atau benda padat, khususnya pada waktu tertentu, sejumlah kecil atom mempunyai energi mendekati nol, sejumlah atom mempunyai energi mendekati energi rata-rata dan sejumlah atom lainnya akan mempunyai energi yang tinggi. Untuk energi tinggi :
n e ( E E ) / kT N tot
dengan n (jumlah atom), E (tingkat energi), E (energi rata-rata), N (jumlah atom total), T (suhu), k (konstanta Boltzmann). Bila E >> E , maka :
n Me E / kT N tot
dengan M (kontanta perbandingan) Contoh soal : Pada suhu 500 0C, satu antara 10-10 atom mempunyai energi yang diperlukan untuk melompat dari letak kisi memasuki posisi interstiti. Pada suhu 6000C fraksi meningkat menjadi 10 -9. a. berapa energi yang diperlukan untuk loncatan tersebut. b. Berapa bagian atom pada 700 0C memiliki cukup energi untuk loncatan. Penyelesaian :
n ln N tot ln 1010
maka :
ln M E / kT 23 ln M E /(13,8 10 24 )(773)
ln 109 20,7 ln M E /(13,8 10 24 )(873)
ln M 2,92 E 0,214 1018 J / atom 129000J / mol
n 2,92 (0,214 1018 ) /(13,8 10 24 )(973) ln N tot n 6 109 N tot
DIFUSI ATOM Bila suhu naik, atom-atom bergetar dengan energi yang lebih besar, dan sejumlah kecil atom akan berpindah dalam kisi. Selain bergantung pada suhu, fraksi atom juga akan bergantung pada ikatannya. Energi yang diperlukan suatu atom berpindah tempat disebut energi aktivasi dinyatakan dalam satuan kalor/mol dengan Q dalam J/atom dan E dalam eV/atom.
Material yang tidak homogen dapat menjadi homogen melalui proses difusi. Untuk sebuah difusi yang aktiv diperlukan suhu yang cukup tinggi untuk menjadi energi penghalang pada gerak atom. Contoh : atom karbon (r=0,07nm) dan menduduki letak interstiti dalam atom besi (kps), dan ketika mencapai energi sekitar 34000 kal/mol (0,24x10-18J/atom atau 1,5eV/atom), atom karbon dapat bergerak di antara atom besi menuju letak interstiti berikutnya. Interdifusi (atau difusi oleh ketidakmurnian) terjadi akibat respon gradient konsentrasi. Gradien konsentrasi adalah jika setiap 20 sel satuan kps besi terdapat satu atom karbon, dan selanjutnya setiap 30 sel satuan terdapat satu atom karbon lainnya yang terpisah sejauh 1mm dari atom
karbon pertama. Self-diffusion adalah difusi dalam satu komponen material ketika semua atom berubah posisi dalam tipe yang sama.
Mekanisme difusi ada dua jenis : a. difusi kekosongan :
Untuk melompat dari satu kisi ke kisi yang lain, atom membutuhkan energi untuk memutuskan ikatan dengan atom tetangganya. Energi difusi berasal dari energi termal pada saat atom bergetar dengan energi aktivasi sebanding dengan kT. Aliran atom berlawanan arah dengan aliran kekosongan. Untuk atom yang memiliki ukuran yang sama, maka mekanisme difusi kekosongan lebih menonjol. Kekosongan terjadi akibat struktur yang cacat atau akibat agitasi suhu (misalnya aluminium 100C dibawah titik cairnya).
Bila atom mengalami kekosongan, maka terjadi “lubang baru”. Kekosongan baru ini dapat diisi oleh atom lain yang berasal dari tetangganya. b. difusi interstiti
Interstitial diffusion secara umum lebih cepat daripada vacancy diffusion karena ikatan dari interstiti terhadap atom-atom sekelilingnya lebih kuat dan terdapat beberapa posisi interstiti dibandingkan posisi kekosongan dalam hal berdifusi. Sebagai hasil akhir dapat dikatakan bahwa atom melakukan “gerak acak” dalam kristal. Sebuah perumusan yang menyatakan gradient konsentrasi tersebut adalah fluks atom (J). Fluks atom (J) digunakan untuk menyatakan secara kuantitas seberapa cepat proses difusi terjadi. Fluks juga dapat didefenisikan sebagai sejumlah atom yang terdifusi melalui satuan permukaan per satuan waktu (atoms / m2-second) atau dalam hubungan fluks massa – massa atom (kg/m2-second).
Untuk difusi dalam keadaan steady (konstan ) maka fluks difusi tidak berubah terhadap waktu. Fick’s first law: fluks difusi sepanjang arah x sebanding dengan gradient konsentrasi. Gradien konsentrasi sering disebut sebagai driving force dalam difusi (tetapi bukan merupakan konsep gaya dalam prinsip mekanika). Tanda minus dalam persamaan menunjukkan bahwa difusi menurun terhadap gradient konsentrasi. Dengan D adalah difusivitas (koefisien difusi).
Difusivitas bergantung dari jenis atom yang larut, struktur bahan padat dan perubahan suhu.
Perbedaan nilai difusivitas pada beberapa bahan padatan disebabkan oleh beberapa hal : a. suhu yang lebih tinggi menghasilkan difusivitas yang lebih tinggi pula. Atom-atom memiliki energi termal yang lebih tinggi, oleh karena itu besar kemungkinan untuk mencapai energi yang dapat melampaui hambatan antara atom-atom. b. Karbon memiliki difusivitas yang lebih tinggi dari pada nikel dalam besi karena atom karbon lebih kecil. c. Tembaga lebih mudah berdifusi dalam aluminium daripada tembaga sendiri oleh karena ikatan Cu-Cu lebih kuat daripada ikatan Al-Al. (berdasarkan titik cairnya). d. Atom-atom mempunyai difusivitas yang lebih tinggi dalam besi kpr daripada dalam besi kps karena kpr mempunyai factor tumpukan yang lebih rendah. (lubang sisipan dalam kps lebih besar dibanding lubang sisipan dalam kpr). e. Difusi berjalan lebih cepat melalui batas butir karena merupakan daerah dengan cacat kristal. Dari hubungan antara energi termal dengan suhu menunjukkan bahwa sejumlah atom dengan energi besar dari suatu jumlah tertentu, meningkat sebanding dengan fungsi eksponensial yang mencakup energi dan kebalikan suhu. Semakin tinggi energi semakin membesar kurva suhu (hubungan pergeseran Winn)
Hubungan difusi dengan energi aktivasi :
D D0e E / kT ln D ln D0 E / kT
Dalam kimia difusi berkaitan dengan Q dengan satuan kal/mol dan R (konstanta gas), sehingga diperoleh hubungan :
ln D ln D0 Q / RT
Contoh soal : Difusivitas aluminium dalam tembaga pada 500 0C adalah 2,6x10-17 m2/s dan 1,6x10-12 m2/s pada 10000C. Hitung D 0, Q dan E serta berapa difusivitas pada suhu 7500C. Penyelesaian :
ln( 2,6 10 17 ) ln D0 E /(13,8 10 24 )( 773 ) ln(1,6 10 12 ) ln D0 E /(13,8 10 24 )(1273 ) D0 4 10 5 m 2 / s dan E 0,3 10 18 J / atom
Sehingga :
ln D ln D0 Q / RT Q 43000 kal / mol
Untuk T=750 0C maka :
ln D ln( 4 105 ) (0,3 1018 ) /(13,8 1024 )(1023) D 2,5 101 m 2 / s
Salah satu contoh proses difusi dalam keteknikan adalah karburisasi dari baja dimana baja rendah (kuat tetapi lunak) yang dipanaskan dalam lingkungan yang mengandung karbon, sehingga karbon berdifusi dalam baja dalam bentuk selubung luar. Contoh lain adalah pembuatan semikonduktor dimana boron berdifusi ke dalam silicon menghasilkan semikonduktor tipe –p pada junction.