Entropi

Untuk memprediksi kespontanan suatu proses, kita perlu mengetahui dua hal tentang sistem itu. Yaitu entalpi dan entropi. Adapun pembahasan kali ini lebih kepada Entropi.

Hubungan Antara Hukum Termodinamika Pertama Dengan Hukum Termodinamika Kedua

HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA
Untuk menjelaskan Hukum Pertama Termodinamika, dapat digunakan sebuah sistem tertutup yang dapat diubah dari satu keadaan kesetimbangan ke keadaan kesetimbangan yang lain dengan mempergunakan interaksi kerja, namun tidak terjadi perpindahan kalor dari sistem ke lingkungannya. Proses semacam ini disebut sebagai proses adiabatik (Moran, 2004).

Efek Joule Thomson

Perubahan temperatur suatu gas atau cairan saat dipaksa melalui suatu katup atau bahan berpori sementara dalam keadaan terinsulasi sehingga tidak ada panas dipertukarkan dengan lingkungan sekitarnya. Semua gas, kecuali helium, hidrogen dan neon akan mendingin dalam proses pengambangan melalui proses Joule Thomson. Dikenal dengan hukum joule yang kedua dikembangkan oleh Koule dengan ilmuwan Inggris, William Thomson (1824-1907). (Untara,2014).

Definisi Statis Entropi

Definisi Statis Entropi akan sangat membantu jika kita adapat mengetahuinya sejak permulaan, Karena itu dapat membantu kita untuk membayangkan definisi termodinamika. Pada defisni statistis dari entrotropi ini kita mengandaikan bahwa sebenarnya kita dapat menghitung derajat kekacauan dalam suatu sistem secara khusus, entropi dihitung dengan rumus yang diajukan oleh Ludwig Boltzman pada Tahun 1869.

Statistika Maxwell-Boltzmann sering digambarkan sebagai statistika bagi partikel klasik yang “terbedakan”. Sistem partikel klasik terbedakan merupakan sistem partikel yang konfigurasinya berbeda ketika dua atau lebih partikel dipertukarkan. Dari sudut pandang statistik, perubahan energy adalah akibat perubahan jumlah “microstate” yang mungkin. Ada hubungannya antara model statistic dengan entropi, dalam hal ini entropi dapat dihubungkan dengan probalitas termodinamik (jumlah “microstate” dalam assembly). 

S=k ln⁡W  (1)
 

Dengan k sebagai tetapan Boltzman
k=1,381 ×〖10〗^(-23) J K-1 (2)
 

Tetapan ini ada hubungannya dengan tetapan gas, dengan R =N_A k. Kuantitas W adalah banyaknya jalan agar energI sistem dapat dicapai dengan penyusunan ulang atom-atom atau molekul-molekul di antara keadaan-keadaan yang ada. Satuan entropi sama dengan satuan k. Dengan demikian, satuan entropi molar, yaitu entropi per mol, adalah J K-1 mol -1 (sama dengan R dan satuan kapasitas kalor molar).
Berikut ini gambaran tentang cara penggunaan persamaan 2. Padatan N molekul HCl pada T=0 mempunyai energi  terendah yang mungkin, ketika semua molekul-molekulnya teratur dengan sempurna (Gambar 4.3a). Pertama kita dapat membaca dan mengklarifikasi bahwa rumus Boltzmann setuju dengan Hukum Ketiga , maka W=1 karena hanya ada satu cara mencapai cuplikan yang teratur sempurna dan S = 0 (karena ln⁡〖1=0)〗. Sistem yang teratur sempurna ini mempunyai entropi nol.
Kemudian, kita dapat melihat bahwa Rumus Boltzmann adalah konsisten dengan entropi dari kenaikan substansi dengan suhu. Ketika T>0,molekul dari sebuah sampel dapat melengkapai level atas serta bawah dari energi, dan sekarang banyak perbedaan susunan molekul akan menyesuaikan dengan total energi yang sama.  Yaitu ketika T >0,W >1dan berdasarkan persamaan (1). Entropinya naik diatas nol (sebab ln⁡〖W >0〗 ketika W>1).
Ungkapan Boltzmann juga konsisten dengan entropi keniakan sebuah gas dengan volumenya penuh berrti meningkat. Ketika kita dihadapkan dengan teori kuantum kita dapat melihat bahwa level energi partikel dibatasi dengan sebuah kotak-seperti wilayahnya menjadi semakin berdekatan bersama sebagai kotak luas. Kjika kita memilih model ini untuk  menggambarkan gas, setelah kita mengapresiasikannya dengan sebuah kotak luas, level terpenuhi oleh molekul-molekul yang bersamaan berdekatan, da nada banyak cara untuk menyusun moleku-molekul setelah total energi diketahui.

Setelah cukup banyak membahas stasistik yang berbasis pada formulasi klasik, sekarang kita membangun statsitik yang berangkat dari postulat kuantum. Walaupun kita telah mempelajasi assembli boson dan fermion yang merupakan partikel kuantum, namun”interpretasi” statsitik yang kita gunakan masih berbasis pada interpretasi klasik. Salah satu ciri khas sistem kuantum yang direpresentasikan oleh fungsi gelombang belum muncul pada pembahasan sebelumnya. Pada bagian ini kita mempelajasi statistik yang berangkat dari postulat kuantum.

Ada dua postulat yang melandasi mekanika statistik kuantum, yaitu

1. Postulate of equal a priori probability
Postulat di atas menyatakan bahwa semua keadaan kuantum memiliki peluang yang sama untuk muncul. Kemudian, tidak ada keadaan yang memiliki energi kurang dari E atau lebih dari E+∆E karena energi assembli hanya ada dalam rentang E sampai E+∆E
2. Postulat fase random
Postulat ini menyatakan bahwa kemunculan satu keadaan tidak mempengaruhi oleh
kemunculan keadaan lainnya. Artinya tiap keadaan muncul secara random dari tidak mempengaruhi atau dipengaruhi oleh keadaan lainnya. Jikan munculnya satu keadaan dipengaruhi oleh keadaan lainnya.

Contoh: Perhitungan entropi menggunakan rumus Boltzman
Hitung entropi 1,00 mol CO(s) Pada T=0 asumsi setiap molekul CO dapat mengambil salah satu dari dua  orientasi (Gambar 4.3b) tanpa mempegaruhi energinya.

Jawaban: Cuplikan terdiri dari N molekul CO dengan . Karena setiap molekul dapat berada dalam dua orientasi pada Kristal tanpa mempengaruhi energinya, maka banyak cara untuk mencapai energi yang sama untuk N molekul adalah

Entropi cuplikan ini adalah


J K-1
Komentar: CO mempunyai dipol momen listrik jauh lebih kecil dari HCl, dan energy cuplikan bener-benar sama jika molekul-molekul berbentuk kepala ke ekor (head to tail) atau kepala ke kepala (head to head). Susunan tak teratus ini mempunyai entropi yang lebih tinggi.
Kita mengambil  pendekatan statistik terhadap entropi ini lebih jauh  dan hal yang sudah diperkenankan, dan yang berguna untuk diingat selanjutnya adalah bahwa dengan bertambahnya ketakteraturan sistem, bertambah pula entropinya.
 
DAFTAR PUSTAKA
Atkins, P. W. 1993. Kimia Fisika Edisi Keempat. Jakarta: Erlangga
Atkins, Peter dan Paula, Julio de. 2009. Elements of Physical Chemistry, Fifth Edition. Great Britain: Oxford University Press
Mikrajuddin, Abdullah. 2015. Mekanika Statistik. Bandung : Intsitut Teknologi Bndung

By : Siti Zulaikah 16630066

Mekanisme Dibalik Mesin Pendingin

Mesin pendingin adalah sesuatu hal yang tidak asing di penglihatan kita. Dalam kehidupan sehari-hari, pendingin tidak hanya  digunakan untuk mendinginkan makanan seperti freezer atau refrigator namun juga untuk mendinginkan mesin-mesin uap, dan cooling system pada kendaraan bermotor untuk menjaga suhu atau temperatur mesin agar tetap pada kondisi ideal. Tentu kita akan bertanya, bagaimanakah mekanisme atau cara kerja dari mesin pendingin itu hingga mampu untuk membuat rasa dingin di lingkungannya.

Mesin pendingin merupakan salah satu penerapan ilmu kimia fisika dari hukum termodinamika II yang berbunyi “Entropi suatu sistem yang terisolasi bertambah selama ada perubahan spontan” . Entropi ini dihasilkan dari proses irreversibel dimana terjadinya ketidakteraturan dari  energi dari sistem kepada lingkungannya akan semakin maksimal seiring dengan bertambahnya waktu proses ini disebut dengan kenaikan Entropi. Hukum kedua ini hanyalah pernyataa dari Clausius dan Kevin-Plank.

Dari proses perpindahan  energi sebagai kalor dari suatu sistem pendingin dari suhu atau temperatur yang rendah ke lingkungan yang bertemperatur tinggi, kemudian jika kalor  meninnggalkan sistem, entropi akan mengalami penurunan dan jika kalor memasuki sistem yang bertemperatur rendah, entropi akan mengalami kenaikan. Itulah sebabnya perubahan entropi secara menyeluruh adalah.

Dimana:
∆S    = perubahan entropi
|q|    = kalor
Tc    = temperatur rendah
Th     = temperatur tinggi

 Dari persamaan diatas diperoleh hasil yang positif (∆S > 0) , itu artinya kerja dari mesin pendingin bersifat spontan, Hal ini sesuai dengan prinsip kenaikan entropi dan pernyataan Clausius bahwa 

”Tidak mungkin suatu sistem apapun bekerja sedemikian rupa sehingga hasil satu-satunya adalah perpindahan energi sebagai panas dari sistem dengan temperatur tertentu ke sistem yang lebih tinggi tanpa dilakukan kerja dari luar”. 
 

Material pendingin yang menguap pada suhu -200oC. Dari proses penguapan yang berada di evaporator tersebut akan menyebabkan suhu dari lingkungan seluruhnya akan turun karena sirkulasi udara. Perlu diketahui bahwa prinsip kerja dari mesin pendingin adalah berkebalikan dengan mesin kalor. Mesin pendingin memindahkan energi kalor dari lingkungan bertempatur rendah ke lingkungan bertemperatur tinggi. Setiap melakukan kerja (W) energi kalor dari suhu rendah dalam pendingin (sistem) akan dikeluarkan ke ruangan yang bersuhu tinggi (lingkungan). 
 
(Gambar 1: Mesin Pendingin)
Kompresor dari pendingin akan mengirimkan energi kalor dari gas freon yang bertemperatur tinggi di dinding pendingin dimana energi kalor akan dikeluarkan dan diteruskan di kondensor dan mengalami penahanan di pipa kapirer sehingga suhu gas turun dan menjadi liquid atau cairan. Kemudian liquid akan melewati katup bertekanan tinggi hingga tabung bertekanan rendah dan menguap hingga menyerap energi kalor kembali dari evaporator dan membentuk liquid. Selebihnya liquid akan masuk lagi ke dalam kompresor dan memulai siklusnya dari awal. 

Dapat disimpulkan bahwa mekanisme perpindahan panas dari mesin pendingin merupakan penerapan dari hukum termodinamika II bagian sistem pendinginan spontan berdasarkan pada perubahan entropi sesuai dengan pernyataan Clausius dimana terjadi perpimdahan energi dari temperatur rendah ke temperatur tinggi berkebalikan dengan mesin kalor.

Literatur:
    Atkins, P.W. 1996. Kimia Fisika. Jakarta: Erlangga
    Atkins, P.W. 1996. Kimia Fisika. Jakarta: Erlangga
    Sears, Zemansky. 1985. Fisika untuk Universitas. Benacipta
    Foster, Bob. 2003. “Fisika Terpadu 2” Jakarta: Erlangga
    Foster, Bob. 2003. “Fisika Terpadu 2” Jakarta: Erlangga

By: Ririn Lailatul F 16630067

Hukum Ketiga Termodinamika

Kristal adalah zat padat yang terdiri dari atom-atom diam dalam suatu barisan statik barbaniar. Suatu keadaan dinamik yang paling teratur. Zat padat ini merupakan tingkat wujud materi yang amat langka dan terdapat di alam sebagai planet dan meteorit. Kristal suatu zat padat sebenarnya seperti statik atau diam saja. Pada tingkat atomik, masing-masing atom itu sebenarnya bergetar di sekitar tempat kedudukannya dengan arah acak. Getaran semakin berkurang jika suhu kristal diturunkan alias didinginkan. Jika dibiarkan, getaran itu akan menjadi semakin giat, benda menjadi panas dan akhirnya membuat molekul-molekul itu terlepas satu sama lain sehingga relatif saling bebas membentuk zat cair.

Hukum ketiga termodinamika menyatakan bahwa suatu kristal sempurna pada nol mutlak mempunyai keteraturan sempurna, jadi entropinya adalah nol. Pada temperatur lain selain nol mutlak, terdapat kekacau-balauan yang disebabkan oleh eksisitas termal (Keenan, 1999).

Susunan paling teratur dari zat ialah zat kristalin sempurna pada nol mutlak (0 K), dimana pada susunan seperti ini atom atau molekul paling sulit bergerak. Jadi, entropi paling rendah yang dapat dicapai setiap zat ialah entropi dari suatu kristal sempurna pada nol mutlak. Berdasarkan hukum ketiga termodinamika, entropi kristal sempurna adalah nol pada suhu nol mutlak. Jika suhu meningkat, kebebasan gerak juga meningkat. Jadi, entropi pada suhu di atas 0 K lebih besar dari nol. Perhatikan juga bahwa jika kristal terkotori atau ada cacat, entropinya lebih besar dari nol meskipun pada 0 K sebab susunannya tidak akan teratur secara sempurna.

Hal penting tentang hukum ketiga termodinamika ialah bahwa hukum ini memungkinkan kita menentukan entropi mutlak suatu zat. Dimulai dengan mengetahui bahwa entropi suatu zat kristal murni adalah nol pada suhu 0 K, kita dapat mengukur peningkatan entropi zat bila dipanaskan, katakanlah pada 298 K. Perubahan entropi, ∆S, diberikan oleh :

∆S = Sf – Si
      = Sf

Karena Si adalah nol. Entropi zat pada 298 K, dengan demikian, adalah ∆S atau Sfyang disebut entropi mutlak karena merupakan nilai sejati (true) dan bukan nilai yang diturunkan dengan menggunakan acuan sembarang. Jadi, nilai entropi yang dikutip sejauh ini adalah entropi mutlak. Sebaliknya, kita tak dapat mengetahui energi mutlak atau entalpi mutlak suatu zat karena nilai nol dari energi atau entalpi tidak didefinisikan. Gambar 18.5


Gambar 18.5 menunjukkan perubahan (peningkatan) entropi suatu zat terhadap suhu. Pada nol mutlak, nilai entropi zat adalah nol (dengan asumsi zat kristal sempurna). Sewaktu di panaskan, entropi meningkat secara bertahap karena gerakan molekul semakin besar. Pada titik leleh, entropi naik cukup tinggi karena terbentuknya keadaan cairan yang lebih acak. Pemanasan lebih lanjut meningkatkan entropi cairan lagi karena meningkatnya gerakan molekul. Pada titik didih terjadi peningkatan entropi yang besar akibat transisi dari cairan ke gas. Di atas suhu itu, entropi gas terus meningkat dengan meningkatnya suhu (Chang, 2004).

Dalil kalor Nernst

Pengamatan termodinamika yang sesuai dengan kesimpulan ini dikenal sebagai dalil kalor Nernst , yaitu :

“ perubahan entropi dalam suatu transformasi, mendekati nol, ketika temperatur mendekati nol : ∆S-->0 ketika T --> 0”

Dari dalil Nernst ini jika kita mengganggap entropi unsur-unsur dalam bentuk kristal sempurnanya bernilai nol pada T = 0, semua kristal sempurna senyawa-senyawa juga mempunyai entropi sebesar nol pada T = 0 (karena perubahan entropi yang menyertai pembentukan senyawa-senyawa, seperti halnya semua transformasi, bernilai nol). Karena itu, semua kristal sempurna dianggap mempunyai entropi nol pada T=0. Kesimpulan ini dinyatakan dengan hukum ketiga Termodinamika.
Hukum ketiga : Jika entropi semua unsur dalam keadaan stabilnya pada T = 0 diambil sama dengan nol, semua zat mempunyai entropi positif yang pada T = 0 dapat menjadi nol, dan untuk semua zat kristal sempurna termasuk senyawa-senyawa entropinya menjadi nol.

Perhatikanlah, keadaan sempurna non kristal, seperti keadaan superfluida dari He, termasuk dalam kalimat pembukaan di atas. Perhatikan juga, bahwa hukum ketiga tidak menyatakan bahwa entropi adalah nol pada T = 0 : hukum itu hanya menyiratkan bahwa semua material sempurna mempunyai entropi yang sama. Sejauh menyangkut termodinamika, memilih nilai umum ini sebagai nol hanyalah untuk kemudahan (P.W Atkins, 1993).

Entropi Hukum ketiga
Untuk selanjutnya, dibuat pilihan S(0) = 0 untuk kristal sempurna. Entropi yang tercatat berdasarkan hal itu disebut entropi hukum ketiga (dan sering juga hanya disebut “entropi”). Jika zat dalam keadaan standarnya pada temperatur T, entropi standar (hukum ketiga) nya diberi notasi S°(T). 

Entropi reaksi standar ∆S° didefinisikan, seperti entalpi reaksi standar, sebagai selisih antara entropi produk murni terpisah dengan reaktan murni, semua zat itu dalam keadaan standar pada temperatur tertentu. Jadi, secara umum (P.W Atkins, 1993) :

Aplikasi hukum ketiga termodinamika

Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut. Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum. Hukum ini juga menyatakan bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol. Teori termodinamika menyatakan bahwa panas (dan tekanan gas) terjadi karena gerakan kinetik dalam skala molekular. Jika gerakan ini dihentikan, maka suhu material tersebut akan mencapai 0 derajat kelvin. Aplikasinya yakni kebanyakan logam bisa menjadi superkonduktor pada suhu sangat rendah, karena tidak banyak keacakan gerakan kinetik dalam skala molekular yang mengganggu aliran elektron (Rahma, 2015).

Sumber :
Chang, Raymond. 2004. Kimia Dasar: Konsep-konsep Inti Edisi Ketiga Jilid 2. Jakarta: Erlangga
Keenan, W.C. 1999. Ilmu Kimia Untuk Universitas Edisi keenam Jilid 2. Jakarta: Erlangga
P.W Atkins. 1993. Kimia Fisika Jilid 1 Edisi Keempat. Jakarta: Erlangga
Rahma, Rizkaaulia. 2015. Hukum III Termodinamika. [Online].http://rar4869.blogspot.co.id/2015/04/hukum-iii-termodinamika.html. Diakses Tanggal 04 Desember 2017, pukul 22.13.