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
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:
∆Salam
= ∆Ssistem + ∆Slingkungan
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
= Hproduk – Hreaktan
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)
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.
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
Tidak ada komentar:
Posting Komentar
Catatan: Hanya anggota dari blog ini yang dapat mengirim komentar.