Oleh : Azis Ramadhan
@W08-AZIS
Termodinamika merupakan salah satu cabang fisika yang membicarakan mengenai pergeseran energi panas menjadi bentuk energi lain. Hukum pertama termodinamika dan aturan termodinamika kedua menjadi acuan dalam membahas perihal pergantian energi. Pengukuran di dalam termodinamika tidak dinyatakan dengan besaran mikroskopis melainkan dengan besaran makroskopis.[1] Termodinamika membicarakan perihal hubungan antara energi, panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. Termodinamika berafiliasi dekat dengan mekanika statistika di mana kekerabatan termodinamika berasal. Asal kata termodinamika ialah dari dua kata bahasa Yunani yaitu thermos yang artinya panas dan dynamic yang artinya pergeseran.
Kajian termodinamika kimia
Pada ketika tertentu, proses pergeseran sebuah metode kimiaatau fisika akan meraih keadaan statis, dimana pergantian total kondisi sistem sama dengan nol. Kondisi ini terjadi jika telah tercapai kesetimbangan termodinamika baik antara tata cara dengan
sistem atau metode dengan lingkungan. Jenis kesetimbangan termodinamika yang dipelajari pada proses kimia adalah sebagai
berikut:
- Kesetimbangan termal yang terjadi bila temperatur sama pada setiap titik.
- Kesetimbangan kimia yang terjadi bila reaksi kimia dari reaktan ke produk atau sebaliknya berjalan dengan laju yang sama.
- Kesetimbangan fasa yang terjadi jikalau pergeseran antar fasa berjalan dengan laju dan jumlah materi yang serupa.
Tiga klasifikasi kesetimbangan termodinamika di atas ialah objek kajian termodinamika kimia yang dipelajari menurut aturan – aturan termodinamika. Hukum pertama termodinamika berkaitan dengan kesetimbagan termal , sedangkan aturan kedua dan ketiga termodinamika berhubungan dengan kesetimbangan kimia dan kesetimbangan fasa . Ketiga hukum termodinamika ini me mbantu kimiawan untuk:
- Menentukan keadaan dimana reaksi kimia memungkinkan terjadi.
- Mengatur dan menvariasikan besaran termodinamika sehingga diperoleh hasil reaksi yang diinginkan.
- Memaksimalkan reaksi yang diinginkan atau menghambat reaksi yang tidak dii nginkan jikalau reaksi kimia mencakup beberapa jalan.
- Menentukan keadaan stabil reaktan dan produk yang terlibat dalam reaksi kimia.
Fasa zat sistem kimia/fisika
Materi sebagai objek kajian termodinamika dikelompokkan ke dalam 3 jenis fasa. Masing-masingfasa tersebut memiliki pengaruh dan respon yang berbeda terhadap besaran termodinamika. Ketiga jenis fasa tersebut ialah selaku berikut:
- Padat
Gaya tarik antar partikel penyusun zat padat sungguh kuat sehingga partikel – partikel tersebut cuma bergetar pada posisi yang sama dan tetap berada dalam satu kesatuan. Jarak antar partikel yang satu dengan partikel lainnya sangat rapat, sehingga rapatan atau densitasnya sungguh besar. Sifat – sifat tersebut menjadikan zat padat tidak terlampau terpengaruh oleh pergeseran variable – variabel sistem mirip pergeseran temperatur atau tekanan
- Cair
Gaya tarik antar partikel penyusun zat cair kurang berpengaruh sehingga partikel-partikeltersebut bisa bergerak bebas dan tumpang tindih dengan partikel-partikel lainnya. Sifat-sifat tersebut menyebabkan bentuk zat cair, seperti air, minyak tanah, bensin, dan lain-lain mampu mengalir dan berganti-ubah sesuai dengan wadah yang ditempatinya. Akan namun, gaya tarik antar partikelnya masih relatif kuat untuk menahan partikel-partikel tersebut tetap dalam satu kesatuan, sehingga meskipun bentuknya dapat berganti-ubah, pada tekanan dan temperatur yang serupa volume zat cair tetap tidak berubah.
- Gas
Gas adalah fasa zat yang berlainan dengan dua jenis fasa sebelumnya. Gaya tarik antar partikelnya sangat lemah sehingga jarak antar partikelnya berjauhan, densitasnya sangat kecil, dan menimbulkan partikel-partikel tersebut mampu bergerak bebas. Perilaku ini mengakibatkan gas mempunyai sifat unik yang mudah diperhatikan, antara lain:
a. Volume dan bentuk sistemnya sesuai wadah.
b. Gerak partikelnya cepat dan bebas serta memberikan tekanan
ke dinding wadah. Semakin banyak partikel – partikel gas,
tekanan sistemnya makin besar.
c. Gas dapat ditekan dengan tekanan dari luar yang menimbulkan volume sistemnya menyusut. Jika tekanan luar tersebut dikurangi, volumenya akan mengembang kembali.
d. Jika temperatur metode gas bertambah, maka volumenya bertambah dan sebaliknya kalau dikurangi, volumenya akan berkurang.
e. Jika dua atau lebih zat berfasa gas diaduk pada wadah yang sama, partikel -partikel masing – masing gas tersebut akan
terdistribusi merata.
Sifat – sifat gas yang sudah diuraikan di atas menunjukkan bahwa gas merupakan tata cara kimia/fisika yang sungguh dipengaruhi oleh pergantian volume, tekanan, temperatur, dan jumlah partikel. Variable – variabel tersebut saling mensugesti. Jika salah satu variable diubah, maka beberapa variabel yang lain akan berubah. Untuk mengetahui hubungan antar variabel – variabel tersebut dan bagaimana variabel – variabel tersebut melibatkan fungsi jalan dan
menghipnotis fungsi kondisi, kajian ihwal termodinamika lebih
difokuskan pada tata cara gas.
Gambaran ketiga jenis fasa zat metode kimia/fisika sebagaimana dijelaskan di atas dapat dilihat pada gambar di bawah ini :
HUKUM KEDUA DAN KETIGA TERMODINAMIKA
A. Hukum kedua termodinamikaHukum pertama termodinamika sudah menerangkan korelasi dan jenis-jenis energi yang terlibat dalam sebuah proses. Penjelasantersebut sungguh membantu dalam memilih besarnya energi yang terlibat sehingga suatu proses dapat diramalkan apakah dapat mencapai kesetimbanganenergi atau tidak. Akan tetapi, hukum hal tersebut belum cukup untuk menerangkan spontanitas suatu proses, tergolong arahnya apakah reversibel atau irreversibelSuatu proses pergantian dianggap spontan bila proses tersebut meraih kesetimbangan tanpa masukan energi dari luar metode. Sebaliknya, proses pergantian dianggap non spontan bila proses tersebut memerlukan masukan energi dari luar tata cara. Bila keadaan sehabis perubahan tersebut dapat dikembalikan kembali ke keadaan sebelum perubahan tanpa menimbulkan pergeseran lain, baik di dalam maupun di luar tata cara, maka proses pergantian tersebut bersifat reversible. Namun pergeseran tanpa mengakibatkan perubahan lainnya mustahil dijumpai dalam kehidupan sehari-hari, sehingga biasanya pergantian di alam yakni perubahan irreversibel.Untuk mengkaji spontanitas dan reversibilitas suatu proses diharapkan rumusan hukum termodinamika yang gres, ialah hukum kedua termodinamika. Hukum ini dibangun menurut 2 fakta yang esensial, yaitu:
1.Semua proses yang terjadi di alam cuma bergerak pada satu arah, dan mustahil sebaliknya secara impulsif.
2.Jika proses tersebut bekerja memakai energi kalor, maka tidak semua kalor tersebut mampu diubah menjadi energi kinetik.
Sebagai acuan, jikalau kita melemparkan gelas ke lantai dan secara spontan pecah, maka tidak mungkin mengulangi proses untuk dari yang sebaliknya untuk menciptakan gelas tersebut utuh kembali. Contoh kedua, jika kita memindahkan suatu benda, maka interaksi benda tersebut dengan lingkungannya mengakibatkan hilangnya sejumlah kalor.
Berdasarkan 2 fakta tersebut, beberapa jago merumuskan pernyataan hukum kedua termodinamika, sebagai berikut:
1.Rudolf Clausius(1822-1888) menyatakan rumusan Clausiustentang aturan II termodinamika dengan pernyataan anutan kalor: ”kalor mengalir secara spontan dari benda bertemperatur tinggi ke benda bertemperatur rendah dan tidak mengalir secara impulsif dalam arah kebalikannya”.
2.Kelvindan Planckmenyatakan rumusan Kelvin-Plancktentang hukum II termodinamika perihal mesin kalor: ”tidak mungkin membuat sebuah mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata menyerap kalor dari sebuahreservoir dan mengganti semuanya menjadi kerjaluar”.
Dengan demikian dapat dirumuskan penyataan aturan kedua termodinamikasecara lazim: ”tidak ada proses yang mampu berjalan terus-menerus dengan menyerap kalor dan mengkonversikan seluruh kalor yang diserap tersebut menjadi kerja tanpa hasil samping, yakni adanya kalor yang hilang”. Konsekuensi hukum ini memunculkan besaran termodinamika baru yang berhubungan dengan kalor yang hilang tersebut, yaitu entropi(S).
B. EntropiKalor yang hilang pada suatu proses dapat dinyatakan dengan suatu variabel keadaan termodinamika yang disebut entropi, adalah ukuran jumlah energi atau kalor yang tidak dapat diubah menjadi kerja. Proses irreversibel (seperti pendinginan hingga mencapai temperatur yang sama dengan temperatur lingkungan dan pemuaian bebas gas) yaitu proses impulsif, sehingga proses tersebut diikuti peningkatan entropi. Sementara itu, proses reversibel ialah proses yang sebanding sehingga tidak menimbulkan pergantian entropi.Jika sebuah sistem pada temperatur tertentu mengalami proses reversibel atau irreversibel dengan donasi sejumlah kalor (dq), maka pergantian entropi tata cara tersebut dirumuskan sesuai persamaan
5.1.TdqS………………………………………………
……………………(5.1)
Perubahan entropi ∆S hanya tergantung pada keadaan tamat dan kondisi awal. Satuan entropi dalam sistem SI ialah J K-1. Persamaan 5.1 menjelaskan secara matematis hukum kedua termodinamika selaku pergeseran entropi tata cara sesuai persamaan 5.2.
dSalam semesta≥ O…………………………………………………………(5.2)
dimana:dSalam semesta= dSsistem+ d Slingkungan………………………………….(5.3)
Artinya, proses reversibel tidak mengubah entropi total alam semesta (∆Salam semesta= 0), tetapi setiap proses irreversibel senantiasa memaksimalkan entropi alamsemesta (∆Salam semesta≥ 0).
Contoh proses irreversibeldalam kehidupan sehari-hari yang menyebabkan ΔS> 0 yaitu selaku berikut:
1.Padatan menjadi cairan atau larutan,
2.Cairan menjadi gas.
3.Jumlah molekul gas dalam sebuah reaksi kimia meningkat.
4.Temperatur zat bertambah.Rumusan entropi dalam keadaan statis disebut rumus Boltzmannyang dirumuskan sesuai persamaan 5.4
Sln………………………………………………………………….(5.4)
dimana k = 1.381 x 10-23J K-1disebut tetapan Boltzmann. Tetapan ini terkait dengan tetapan gas ideal, yakni R = NAk. Persamaan 5.4 menawarkan entropi berbading lurus dengan W, ialah banyaknya jalan supaya energi tata cara mampu diraih dengan penyusunan ulang atom-atom atau molekul-molekul diantara kondisi-keadaan yang ada. Hal ini memberikan bahwa entropi menggambarkanketidakteraturan komponen-komponen tata cara.
Berdasarkan persamaan 5.2 dan 5.4, mampu ditarik kesimpulan bahwa entropi proses yang berjalan impulsif dalam sebuah sistem yang terisolasi akan meningkat. Dengan demikian hukum kedua termodinamika dapat pula dinyatakan: “derajat ketidakteraturan dalam alam semesta akan senantiasa meningkat”.
Entropi adalah besaran ekstensif, sehingga jika dibagi dengan jumlah massa m atau jumlahmol n menjadi entropi jenis (s) sesuai persamaan 5.5.
S=atau nSs…………………………………………………..(5.5)
Kesimpulan
Reaksi kimia merupakan proses yang selalu melibatkan energi, baik membutuhkan atau melepaskan energi. Bidang ilmu kimia yang mempelajari desain ini secara teoritikal dan eksperimental disebut termodinamika kimia. Konsep ini sungguh penting bagi seorang kimiawan untuk mempelajari dan mengeksplorasi sebuah reaksi kimia. Namun, kekurangan sumber belajar telah mempersulit banyak kimiawan, baik mahasiswa, guru, dosen, atau peneliti untuk mengerti desain ilmu ini.
Referensi :
https://id.wikipedia.org/wiki/Termodinamika
Nolly. Termokimia,diakses dari http://www.kimiadb2.webs.com/MateriBab2Sem10910.doc pada tanggal 30 Juni 2010.
Rahayu, S. I, 2006. Termodinamika (Azas Dasar dan Terapan Kimia).Penerbit ITB: Bandung.