Sifat Material dan Ekuilibrium Fasa

Sifat Material dan Ekuilibrium Fasa

Disusun Oleh: Ghefira Nanda Utami (Z07-GHEFIRA)

Abstrak

Termodinamika 2 adalah cabang ilmu fisika yang mempelajari sifat material dan ekuilibrium fasa. Sifat material dan ekuilibrium fasa merupakan konsep dasar dalam termodinamika 2, yang mempelajari bagaimana benda-benda berinteraksi dan berubah dalam sistem. Dalam termodinamika 2, kita mempelajari bagaimana benda-benda berinteraksi satu sama lain dan bagaimana energi dipertukarkan antara mereka. Artikel ini akan membahas konsep-konsep dasar termodinamika 2, termasuk sifat material dan ekuilibrium fasa.

 

Pendahuluan

Termodinamika 2 adalah cabang ilmu fisika yang sangat penting dalam memahami sifat material dan ekuilibrium fasa. Dalam termodinamika 2, kita mempelajari bagaimana benda-benda berinteraksi satu sama lain dan bagaimana energi dipertukarkan antara mereka. Konsep-konsep dasar termodinamika 2 sangat penting dalam banyak bidang ilmu, termasuk fisika, kimia, dan teknik mesin.

Salah satu konsep dasar termodinamika 2 adalah sifat material. Sifat material mengacu pada sifat-sifat fisik dan kimia dari benda, seperti massa, volume, dan kepadatan. Dalam termodinamika 2, kita mempelajari bagaimana sifat-sifat ini berubah saat benda berinteraksi dengan lingkungannya. Misalnya, ketika benda dipanaskan, sifat-sifatnya dapat berubah, seperti volume dan kepadatan.

Konsep lain yang penting dalam termodinamika 2 adalah ekuilibrium fasa. Ekuilibrium fasa terjadi ketika dua atau lebih fase dari suatu bahan berada dalam keseimbangan termodinamika satu sama lain. Dalam termodinamika 2, kita mempelajari bagaimana fase-fase ini berinteraksi satu sama lain dan bagaimana energi dipertukarkan antara mereka. Misalnya, ketika es dan air dicampur bersama, mereka akan mencapai ekuilibrium fasa di mana suhu dan tekanan stabil.

Dalam artikel ini, kita akan membahas konsep-konsep dasar termodinamika 2, termasuk sifat material dan ekuilibrium fasa. Kita akan membahas bagaimana konsep-konsep ini berhubungan satu sama lain dan bagaimana mereka dapat diterapkan dalam berbagai bidang ilmu.

Rumusan Masalah

1.     Apa itu konsep entalpi, dan entropi?

2.     Apa hukum kedua termodinamika ?

3.     Apa itu diagram fasa dan analisis perubahan fasa dalam sistem?

Tujuan

1.     Mengetahui apa itu konsep entalpi, dan entropi?

2.     Mengetahui apa hukum kedua termodinamika?

3.     Mengetahui apa itu diagram fasa dan analisis perubahan fasa dalam sistem?

Pembahasan

A.   Entropi, dan Entalpi

1.     Entropi

Entropi adalah salah satu besaran termodinamika yang mengukur panas/kalor

(energi) dalam sistem persatuan suhu yang tidak dapat digunakan untuk melakukan usaha. Entropi suatu sistem perlu diukur untuk menentukan seberapa besar panas/kalor (energi) yang tidak dapat dipakai untuk melakukan kerja pada proses-proses termodinamika. Pada sistem yang terisolasi, saat terjadi transfer panas, energi panas berpindah dari sistem yang bersuhu tinggi ke sistem yang bersuhu rendah, maka entropi suatu sistem yang tertutup (terisolasi), hanya berjalan ke satu arah (bukan proses reversible), ini berarti pada sistem terisolasi entropi selalu naik atau secara alamiah entropi suatu proses cenderung berkembang ke arah peningkatan entropi. Jadi hukum kedua mengharuskan adanya perubahan entropi.

 

Ukuran dari perubahan energi atau gangguan selama proses kimia adalah entropi. Entropi dinyatakan dengan simbol ‘S’, dan selalu ditulis sebagai huruf besar/kapital. Dalam sebuah persamaan, entropi ditulis sebagai ‘ΔS’ karena mewakili gangguan dalam entropi selama proses kimia. Satuan SI untuk Entropi (S) adalah Joule per Kelvin (J/K). Suhu dalam persamaan entropi diukur pada skala suhu absolut atau Kelvin. Dimensi entropi adalah:

Semua proses yang sesuai dengan Hukum II Termodinamika dapat dibedakan atas: proses reversible (dapat balik) dan proses tak reversible/irreversible (tidak dapat balik). Proses reversible merupakan proses idealisasi, terjadi apabila perubahan tingkat keadaan pada suatu sistem sedemikian sehingga entropi tidak berubah, entropi juga tidak akan berubah pada proses balik sehingga proses dapat berlangsung dalam arah maju atau balik.

 

Dalam proses reversible ΔS = 0, sedangkan untuk proses irreversible, yang banyak dijumpai dalam kehidupan sehari-hari, terjadi apabila perubahan tingkat keadaan pada sistem berlangsung sedemikian rupa sehingga entropinya bertambah besar dan pada proses balik, entropinya berkurang, keadaan ini tidak mungkin terjadi karena betentangan dengan hukum kedua termodinamika. Pada proses tak reversible terjadi perubahan entropi ΔS > 0.

 

Entropi sangat berbeda dengan energi. Entropi tidak kekal tetapi meningkat dalam semua proses nyata. Proses yang dapat balik (seperti pada mesin Carnot) adalah proses di mana perpindahan panas yang paling besar terjadi dan juga merupakan proses yang menjaga entropi, ada hubungan antara entropi dan ketersediaan energi untuk melakukan pekerjaan. Dalam hal ini, entropi berhubungan dengan fakta, bahwa tidak semua perpindahan panas dapat diubah menjadi kerja. Dengan demikian diperoleh Hukum II Termodinamika yang dapat dirumuskan sebagai:

 

D ³S 0

Dapat dikatakan entropi alam selalu meningkat dengan:

∆S_alam = ∆S_sistem + ∆S_lingkungan

 

Nilai ∆S > 0 : proses berlangsung spontan

Nilai ∆S < 0 : proses berlangsung berlawanan secara sepontan

Nilai ∆S = 0 : proses dalam kesetimbangan

 

Dengan pendekatan gas ideal, persamaan entropi menjadi sebagai berikut:

Sehubungan dengan Hukum II Termodinamika, dikenal siklus Carnot yang

merupakan siklus reversible yang beroperasi di antara dua suhu T1 (awal) dan T2

(akhir) merupakan mesin yang paling efisien. Siklus Carnot terdiri dari dua proses

isotermal yang dihubungkan oleh dua proses adiabatik. Menurut Carnot, sebuah mesin kalor akan memiliki efisiensi maksimum jika proses-proses dalam mesin adalah reversible (dapat balik). Suatu proses reversible adalah suatu keadaan di mana kedua sistem dan lingkungannya dapat kembali ke keadaan semula, sama persis seperti sebelum terjadinya proses. Efisiensi dari mesin Carnot diberikan sebagai berikut.

 

 

2.     Entalpi

Entalpi adalah istilah dalam termodinamika yang menyatakan jumlah energi internal dari suatu sistem ditambah energi yang digunakan untuk melakukan kerja. Entalpi mengukur perubahan panas atau perubahan energi internal sistem selama reaksi kimia di bawah tekanan konstan. Entalpi adalah ukuran total energi dalam sistem, meskipun selalu menunjukkan perubahan dalam sistem energi pada tekanan konstan karena total entalpi sistem tidak dapat diukur.

 

Entalpi dilambangkan sebagai ΔH. Sehingga, pada tekanan tetap, perubahan entalpi sama dengan kalor (q) yang diserap maupun kalor yang dilepas. Perubahan entalpi molar adalah perubahan entalpi dengan disertai reaksi atau perubahan zat dari unsur-unsur pembentuknya setiap 1 mol. Entalpi molar disebut juga entalpi pembentukan. Satuan entalpi molar adalah kJ/mol atau kJ mol-1. Perubahan entalpi dari pembentukan 1 mol zat langsung dari unsur-unsur pembentuknya disebut entalpi molar pembentukan atau entalpi pembentukan. Secara matematis, entalpi dapat dirumuskan sebagai berikut:

 

H = U + pV

 

Di mana:

H = entalpi sistem (joule)

U = energi internal (joule)

P = tekanan dari sistem (Pa)

V = volume sistem (m3

PV hanya targantung keadaan awal dan akhir sistem. Perubahan entalpi (ΔH) adalah perubahan kalor yang terjadi pada suatu reaksi kimia. Perubahan entalpi atau ΔH ini merupakan selisih antara entalpi produk dengan entalpi reaktan yang dirumuskan dengan:

ΔH = H_produk – H_reaktan  

 

Jika H produk lebih kecil daripada H reaktan maka akan terjadi pembebasan kalor. Harga ΔH negatif atau lebih kecil daripada nol. Sebagai contoh:

2 H2 (g) + O2 (g) ® 2 H2O (l) + kalor atau

2 H2 (g) + O2 (g) ® 2 H2O (l) ® entalpi = ΔH < 0 atau negatif (-)

 

Jika H produk lebih besar daripada H reaktan maka akan terjadi penyerapan kalor. Harga ΔH positif atau lebih besar daripada nol. Sebagai contoh:

2 H2O (l) ® 2 H2 (g) + O2 (g) – kalor atau

2 H2O (l) ® 2 H2 (g) + O2 (g) ® entalpi = ΔH = + atau positif

 

Nilai entalpi yang negatif dari suatu sistem atau reaksi kimia, menunjukkan bahwa proses berlangsung secara eksoterm. Reaksi eksoterm adalah reaksi yang melepaskan kalor dari sistem ke lingkungan, sehingga kalor dari sistem akan berkurang. Tanda reaksi eksoterm adalah ΔH = – (negatif).

 

Nilai entalpi yang positif dari suatu sistem atau reaksi kimia, menunjukkan bahwa proses berlangsung secara endoterm. Reaksi endoterm adalah reaksi dimana sistem menerima kalor dari lingkungan, sehingga kalor diserap oleh sistem dari lingkungan. Tanda reaksi endoterm adalah ΔH = + (positif)

 

B.    Hukum Kedua Termodinamika

Dalam Hukum Termodinamika II ini berkaitan dengan entropi dan memiliki kecenderungan  yang dari waktu ke waktu, perbedaan suhu, tekanan, dan menyeimbangkan potensi kimia dalam terisolasinya sistem fisik. entropi adalah keseimbangan termodinamis, terutama mengenai perubahan energi yang hukumnya disebut dengan Hukum Termodinamika II. Dalam Hukum Termodinamika II ini menyatakan bahwa: “Kalor mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya.”

 

Sebenarnya, Hukum Termodinamika I dianggap tidak dapat menjelaskan apakah suatu proses mungkin terjadi ataukah tidak mungkin terjadi. Maka dari itu, muncul lah Hukum Termodinamika II yang disusun tidak lepas dari usaha untuk mencari sifat atau besaran sistem yang ada. Dari hasil percobaan para ahli menyimpulkan bahwa mustahil untuk membuat sebuah mesin kalor yang mengubah panas seluruhnya menjadi kerja, yaitu mesin dengan efisiensi termal 100%. Kemustahilan ini adalah dasar dari satu pernyataan hukum kedua termodinamika sebagai berikut :

 

“Adalah mustahil bagi sistem manapun untuk mengalami sebuah proses di mana sistem menyerap panas dari reservoir pada suhu tunggal dan mengubah panas seluruhnya menjadi kerja mekanik, dengan sistem berakhir pada keadaan yang sama seperti keadaan awalnya”.

 

Formulasi Dalam Hukum Termodinamika II

Dalam Hukum Termodinamika II ini terdapat dua formulasi yang berguna untuk memahami konversi energi panas ke energi mekanik, yakni:

 

1.     Formulasi Kelvin-Planck

Formulasi yang pertama ini menyatakan bahwa “Tidak mungkin untuk membuat sebuah mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata mengubah energi panas yang diperoleh dari suatu sumber pada suhu tertentu seluruhnya menjadi usaha mekanik”. Dengan kata lain, formulasi ini mengungkapkan bahwa memang tidak ada cara untuk mengambil energi panas dari lautan. Sehingga lebih baik menggunakan energi tersebut untuk menjalankan generator listrik tanpa menimbulkan efek lebih lanjut, misalnya pemanasan atmosfer. Maka dari itu, setiap alat atau mesin pastilah memiliki nilai efisiensi tertentu. Efisiensi ini akan menyatakan nilai perbandingan dari usaha mekanik yang telah diperolehnya dengan energi panas dari sumber suhu tertinggi.

 

2.     Formulasi Clausius

Dalam formulasi ini menyatakan bahwa “Tidak mungkin untuk membuat sebuah mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata memindahkan energi panas dari suatu benda dingin ke benda panas”. Dengan kata lain, seseorang tidak dapat mengambil energi dari sumber dingin (yang memiliki suhu rendah) dan memindahkan seluruhnya ke sumber panas (yang memiliki suhu tinggi) tanpa memberikan energi pada pompa untuk melakukan usah.

 

C.   Diagram Fasa dan Analisis Perubahan Fasa Dalam Sistem

Diagram fasa adalah representasi grafis dari hubungan antara suhu, tekanan, dan komposisi kimia dalam sistem yang menunjukkan kondisi di mana berbagai fase stabil atau metastabil dari suatu zat atau campuran zat terjadi. Diagram fasa sangat penting dalam memahami perubahan fasa dalam sistem, terutama dalam kimia dan metalurgi. Analisis perubahan fasa dalam sistem melibatkan pemahaman tentang bagaimana suhu, tekanan, dan komposisi memengaruhi transisi fasa dari padatan ke cairan, dan dari cairan ke gas.

 

Dalam diagram fasa, titik-titik tertentu menunjukkan kondisi di mana dua atau lebih fase berada dalam kesetimbangan. Misalnya, pada diagram fasa air, titik tertentu menunjukkan di mana air dapat berada dalam bentuk padat (es), cair, atau gas (uap). Perubahan suhu, tekanan, atau komposisi dapat mempengaruhi transisi antara fase-fase ini.

 

Analisis perubahan fasa dalam sistem juga melibatkan pemahaman tentang konsep seperti entalpi, entropi, dan energi bebas Gibbs. Misalnya, pada titik tertentu dalam diagram fasa, perubahan energi bebas Gibbs menentukan apakah suatu transisi fasa akan terjadi secara spontan.

 

Dengan memahami diagram fasa dan konsep-konsep termodinamika yang terkait, kita dapat menganalisis bagaimana perubahan suhu, tekanan, dan komposisi dapat mempengaruhi perubahan fasa dalam sistem, serta bagaimana kita dapat mengendalikan proses ini untuk aplikasi praktis dalam berbagai bidang ilmu, termasuk material, kimia, dan metalurgi.

Kesimpulan

Entropi adalah salah satu bersaran termodinamika yang mengukur panas/kalor (energi) dalam sistem persatuan suhu yang tidak dapat digunakan untuk melakukan usaha. Ukuran dari perubahan energi atau gangguan selama proses kimia adalah entropi. Sehubungan dengan Hukum II Termodinamika dikenal dua proses, yaitu reversible (dapat balik) dan irreversible (tidak dapat balik). Dikenal siklus Carnot yang merupakan siklus reversible yang beroperasi diantara dua suhu T1 (awal) dan T2 (akhir) yang merupakan mesin yang paling efisien. Entalpi adalah istilah dalam termodinamika yang menyatakan jumlah energi internal dari suatu sistem ditambah energi yang digunakan untuk melakukan kerja. Nilai entalpi yang negatif dari suatu sistem atau reaksi kimia, menunjukkan bahwa proses berlangsung secara eksoterm. Nilai entalpi yang positif dari suatu sistem atau reaksi kimia, menunjukkan bahwa proses berlangsung secara endoterm. Hubungan antara entalpi dan entropi ada dalam kaitan dengan Energi Bebas Gibbs. Sedangkan Hukum 2 termodinamika yaitu Hukum 2 termodinamika menyatakan bahwa aliran kalor memiliki arah, yaitu dari panas ke dingin. Hal ini menunjukkan bahwa tidak semua proses di alam semesta adalah reversible (dapat dibalikkan arahnya). Sedangkan Diagram fasa adalah representasi grafis dari hubungan antara suhu, tekanan, dan komposisi kimia dalam sistem yang menunjukkan kondisi di mana berbagai fase stabil atau metastabil dari suatu zat atau campuran zat terjadi. Analisis perubahan fasa dalam sistem juga melibatkan pemahaman tentang konsep seperti entalpi, entropi, dan energi bebas Gibbs. Misalnya, pada titik tertentu dalam diagram fasa, perubahan energi bebas Gibbs menentukan apakah suatu transisi fasa akan terjadi secara spontan.

Daftar Pustaka

Lula Nadia diakses pada 27 november 2023 https://pustaka.ut.ac.id/lib/wp-content/uploads/pdfmk/PANG4112-M1.pdf

Kamal N diakses pda 27 november 2023 https://www.gramedia.com/literasi/hukum-termodinamika/

Deni Purbowai diakses pada 27 november 2023 https://akupintar.id/info-pintar/-/blogs/mengenal-apa-itu-termodinamika-dan-penerapan-hukum-1-2-dan-3

Tabithac Manalu diakses pada 27 november 2023 https://www.academia.edu/35004818/Diagram_fasa

https://p2k.stekom.ac.id/ensiklopedia/Energi_bebas_termodinamika