Mengenal Lebih Jauh Termodinamika Kimia

 

Oleh : Azis Ramadhan

@W08-AZIS

Termodinamika merupakan salah satu cabang fisika yang membahas mengenai perubahan energi panas menjadi bentuk energi lain. Hukum pertama termodinamika dan hukum termodinamika kedua menjadi acuan dalam membahas mengenai perubahan energi. Pengukuran di dalam termodinamika tidak dinyatakan dengan besaran mikroskopis melainkan dengan besaran makroskopis.[1] Termodinamika membahas mengenai hubungan antara energi, panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. Termodinamika berhubungan dekat dengan mekanika statistika di mana hubungan termodinamika berasal. Asal kata termodinamika adalah dari dua kata bahasa Yunani yaitu thermos yang artinya panas dan dynamic yang artinya perubahan.

Kajian termodinamika kimia

            Pada saat  tertentu,  proses  perubahan  suatu  sistem  kimiaatau  fisika  akan  mencapai  keadaan  statis,  dimana perubahan  total keadaan  sistem  sama  dengan  nol.  Kondisi  ini  terjadi  jika  telah tercapai  kesetimbangan  termodinamika  baik  antara sistem  dengan

sistem   atau   sistem   dengan   lingkungan.   Jenis   kesetimbangan termodinamika  yang  dipelajari  pada  proses  kimia  adalah  sebagai

berikut:

 

1. Kesetimbangan  termal yang  terjadi  jika  temperatur  sama  pada setiap titik.
2. Kesetimbangan kimia yang terjadi jika reaksi kimia dari reaktan ke produk atau sebaliknya berlangsung dengan laju yang sama.
3. Kesetimbangan  fasa  yang  terjadi  jika perubahan  antar  fasa berlangsung dengan laju dan jumlah materi yang sama.

 

               Tiga kategori kesetimbangan termodinamika di    atas merupakan objek kajian termodinamika   kimia yang   dipelajari berdasarkan   hukum - hukum  termodinamika. Hukum pertama termodinamika berkaitan dengan kesetimbagan termal , sedangkan hukum kedua    dan    ketiga    termodinamika berkaitan dengan kesetimbangan   kimia dan   kesetimbangan   fasa .   Ketiga hukum termodinamika ini me mbantu kimiawan untuk:

1. Menentukan   kondisi   dimana   reaksi   kimia   memungkinkan terjadi.
2. Mengatur dan menvariasikan besaran termodinamika sehingga diperoleh hasil reaksi yang diinginkan.
3. Memaksimalkan   reaksi   yang   diinginkan   atau   menghambat reaksi yang tidak dii nginkan jika reaksi kimia meliputi beberapa jalan.
4. Menentukan  kondisi  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 adalah sebagai berikut:

1. Padat

            Gaya tarik antar partikel penyusun zat padat sangat kuat sehingga partikel - partikel tersebut hanya bergetar pada posisi yang sama dan tetap berada dalam satu kesatuan. Jarak antar partikel yang satu dengan partikel yang lain sangat rapat, sehingga rapatan atau densitasnya sangat besar. Sifat - sifat tersebut menyebabkan zat padat tidak terlalu terpengaruh oleh perubahan variable - variabel sistem seperti perubahan temperatur atau tekanan

 

2. Cair

            Gaya tarik antar partikel penyusun zat cair kurang kuat sehingga partikel-partikeltersebut bisa bergerak bebas dan tumpang tindih dengan partikel-partikel yang lain. Sifat-sifat tersebut menyebabkan bentuk zat cair, seperti air, minyak tanah, bensin, dan lain-lain bisa mengalir dan berubah-ubah sesuai dengan wadah yang ditempatinya. Akan tetapi, gaya tarik antar partikelnya masih relatif kuat untuk menahan partikel-partikel tersebut tetap dalam satu kesatuan, sehingga meskipun bentuknya dapat berubah-ubah, pada tekanan dan temperatur yang sama volume zat cair tetap tidak berubah.

 

3. Gas

            Gas adalah fasa zat yang berbeda dengan dua jenis fasa sebelumnya. Gaya tarik antar partikelnya sangat lemah sehingga jarak antar partikelnya  berjauhan, densitasnya  sangat kecil, dan menyebabkan partikel-partikel tersebut dapat bergerak bebas. Perilaku  ini menyebabkan gas memiliki sifat unik yang mudah diamati, 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 semakin besar.

c. Gas dapat ditekan dengan tekanan dari luar yang menyebabkan volume  sistemnya   menyusut.   Jika   tekanan   luar   tersebut  dikurangi, volumenya akan mengembang kembali.

d. Jika   temperatur   sistem   gas   bertambah,   maka   volumenya  bertambah  dan  sebaliknya  jika    dikurangi,  volumenya  akan menyusut.

e. Jika  dua  atau  lebih  zat  berfasa  gas  dicampur  pada wadah yang sama, partikel -partikel masing - masing gas tersebut akan

terdistribusi merata.

 

Sifat - sifat  gas  yang  telah  diuraikan  di  atas  menunjukkan  bahwa  gas merupakan sistem kimia/fisika yang sangat  dipengaruhi oleh perubahan volume, tekanan, temperatur, dan jumlah partikel. Variable - variabel  tersebut  saling  mempengaruhi.  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

mempengaruhi fungsi keadaan, kajian tentang termodinamika lebih

difokuskan pada sistem gas.

 

Gambaran ketiga jenis fasa zat sistem kimia/fisika  sebagaimana dijelaskan di atas dapat dilihat pada gambar di bawah ini :

HUKUM KEDUA DAN  KETIGA TERMODINAMIKA

            A. Hukum kedua termodinamikaHukum     pertama     termodinamika     telah     menjelaskan hubungan  dan  jenis-jenis  energi  yang  terlibat  dalam  suatu  proses. Penjelasantersebut    sangat    membantu    dalam    menentukan besarnya   energi   yang   terlibat   sehingga   suatu    proses   dapat diramalkan  apakah  dapat  mencapai kesetimbanganenergi  atau tidak.   Akan   tetapi,   hukum   hal   tersebut   belum   cukup   untuk menjelaskan  spontanitas  suatu  proses,  termasuk  arahnya  apakah reversibel atau irreversibelSuatu  proses  perubahan  dianggap  spontan  apabila  proses tersebut  mencapai  kesetimbangan  tanpa  masukan  energi  dari  luar sistem. Sebaliknya,   proses   perubahan   dianggap   non   spontan apabila  proses  tersebut  memerlukan  masukan  energi  dari  luar sistem.     Bila     keadaan     setelah     perubahan     tersebut     dapat dikembalikan   kembali   ke   keadaan   sebelum   perubahan   tanpa menyebabkan perubahan lain, baik di dalam maupun di luar sistem, maka   proses   perubahan   tersebut   bersifat   reversible.   Namun perubahan tanpa menyebabkan perubahan yang lain tidak mungkin dijumpai    dalam    kehidupan    sehari-hari, sehingga    umumnya perubahan di alam adalah perubahan irreversibel.Untuk mengkaji spontanitas dan reversibilitas suatu proses dibutuhkan   rumusan   hukum   termodinamika   yang   baru,   yaitu hukum  kedua  termodinamika.  Hukum  ini  dibangun  berdasarkan  2 fakta yang esensial, yaitu:

1.Semua  proses  yang  terjadi  di  alam  hanya  bergerak  pada  satu arah, dan tidak mungkin sebaliknya secara spontan.

2.Jika  proses  tersebut  bekerja  menggunakan  energi  kalor,  maka tidak   semua   kalor   tersebut   dapat   diubah   menjadi   energi kinetik.

Sebagai  contoh,  jika    kita  melemparkan  gelas  ke  lantai  dan  secara spontan  pecah,  maka  tidak  mungkin mengulangi  proses  untuk  dari yang   sebaliknya   untuk   membuat   gelas   tersebut   utuh   kembali. Contoh kedua, jika kita memindahkan suatu benda, maka interaksi benda   tersebut   dengan   lingkungannya   menyebabkan   hilangnya sejumlah kalor.  

Berdasarkan  2  fakta  tersebut,  beberapa  ahli  merumuskan pernyataan hukum kedua termodinamika, sebagai berikut:

            1.Rudolf   Clausius(1822-1888)   menyatakan   rumusan   Clausiustentang  hukum  II  termodinamika  dengan  pernyataan  aliran kalor:  ”kalor mengalir secara spontan dari benda bertemperatur tinggi ke benda bertemperatur rendah dan tidak mengalir secara  spontan dalam arah kebalikannya”.

            2.Kelvindan Planckmenyatakan  rumusan  Kelvin-Plancktentang hukum II termodinamika tentang mesin kalor: ”tidak  mungkin membuat  suatu  mesin  kalor  yang  bekerja  dalam  suatu  siklus yang  semata-mata  menyerap  kalor  dari  sebuahreservoir  dan mengubah seluruhnya menjadi kerjaluar”.

Dengan   demikian   dapat   dirumuskan   penyataan hukum kedua   termodinamikasecara  umum:  ”tidak   ada   proses   yang dapat  berlangsung  terus-menerus  dengan  menyerap  kalor  dan mengkonversikan  seluruh  kalor  yang    diserap  tersebut  menjadi kerja  tanpa  hasil  samping,   yaitu  adanya  kalor  yang  hilang”. Konsekuensi hukum ini memunculkan besaran termodinamika baru yang berkaitan 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,  yaitu  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)   adalah   proses   spontan, sehingga  proses  tersebut  disertai  kenaikan  entropi.  Sementara  itu, proses   reversibel   adalah  proses   yang   seimbang   sehingga   tidak menyebabkan perubahan entropi.Jika  suatu  sistem  pada  temperatur  tertentu  mengalami proses reversibel atau irreversibel dengan kontribusi sejumlah kalor (dq),  maka  perubahan  entropi  sistem  tersebut  dirumuskan  sesuai persamaan

5.1.TdqS..............................................................................(5.1)

            Perubahan entropi ∆S hanya tergantung pada keadaan akhir dan keadaan awal. Satuan entropi dalam sistem SI adalah J K-1. Persamaan   5.1   menjelaskan   secara   matematis   hukum kedua  termodinamika  sebagai  perubahan  entropi  sistem  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  selalu menaikkan entropi alamsemesta (∆Salam semesta≥ 0).

            Contoh   proses   irreversibeldalam   kehidupan   sehari-hari yang menyebabkan ΔS> 0 adalah sebagai berikut:

1.Padatan menjadi cairan atau larutan,

2.Cairan menjadi gas.

3.Jumlah molekul gas dalam suatu reaksi kimia meningkat.

4.Temperatur zat bertambah.Rumusan   entropi   dalam   kondisi   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 menunjukkan  entropi  berbading  lurus  dengan  W,  yakni  banyaknya jalan  agar  energi  sistem  dapat  dicapai  dengan  penyusunan  ulang atom-atom  atau  molekul-molekul  diantara  keadaan-keadaan  yang ada.    Hal    ini    menunjukkan    bahwa    entropi menggambarkanketidakteraturan komponen-komponen sistem.

            Berdasarkan  persamaan  5.2  dan  5.4,  dapat  disimpulkan bahwa   entropi   proses   yang   berlangsung   spontan   dalam   suatu sistem  yang  terisolasi akan  meningkat.  Dengan  demikian  hukum kedua  termodinamika  dapat  pula  dinyatakan:  “derajat ketidakteraturan dalam alam semesta akan selalu 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 konsep ini secara teoritikal dan eksperimental disebut termodinamika kimia. Konsep ini sangat penting bagi seorang    kimiawan untuk mempelajari dan  mengeksplorasi suatu reaksi kimia. Namun, keterbatasan sumber belajar telah mempersulit banyak kimiawan, baik mahasiswa, guru, dosen, atau peneliti untuk memahami konsep 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.