Thermodinamika (entropi).docx

Thermodinamika ENTROPI 1. Pengertian Entropi Entropi adalah sebuah konsep teori informasi diterapkan di fisika, kimia, teori informasi, matematika dan cabang ilmu pengetahuan dan teknik. Ketika diberikan sebuah sistem yang tepat dan tidak tepat dengan deskripsi yang diketahui, entropi didefinisikan sebagai jumlah informasi yang diperlukan untuk tepat menentukan keadaan dari sistem, mengingat apa yang kita ketahui tentang sistem. Dengan kata lain entropi adalah ukuran ketidakteraturan sistem.

Pengalaman sehari-hari menunjukkan bahwa sebuah kolam tidak membeku di musim  panas. Jika sebuah benda panas berinteraksi dengan benda dingin, maka tak terjadi bahwa  benda panas tersebut semakin panas dan benda dingin semakin dingin, meskipun proses proses tersebut tidaklah ti daklah melanggar hukum kekekalan energi yang dinyatakan sebagai hukum  pertama termodinamika. Hukum kedua termodinamika berkaitan dengan apakah proses proses yang dianggap taat azas dengan hukum pertama, terjadi atau tidak terjadi di alam. Hukum k edua edua termodinamika seperti yang diungkapkan oleh Clausius mengatakan, “Untuk suatu mesin siklis maka tidak mungkin untuk menghasilkan efek lain, selain dari menyampaikan kalor secara kontinu dari sebuah benda ke benda lain pada temperatur yang lebih tinggi". Bila ditinjau siklus Carnot, yakni siklus hipotesis yang terdiri dari empat proses terbalikkan: pemuaian isotermal dengan penambahan kalor, pemuaian adiabatik, pemampatan isotermal dengan pelepasan kalor dan pemampatan adiabatik; jika integral sebuah kuantitas mengitari setiap lintasan tertutup adalah nol, maka kuantitas tersebut yakni variabel keadaan, mempunyai sebuah nilai yang hanya merupakan ciri dari keadaan sistem tersebut, tak peduli  bagaimana keadaan tersebut dicapai. Variabel keadaan dalam hal ini adalah entropi. Perubahan entropi hanya gayut keadaan awal dan keadaan akhir dan tak gayut proses yang menghubungkan keadaan awal dan keadaan akhir sistem tersebut. Hukum kedua termodinamika dalam konsep entropi mengatakan, "Sebuah proses alami yang  bermula di dalam satu keadaan kesetimbangan dan berakhir di dalam satu keadaan kesetimbangan lain akan bergerak di dalam arah yang menyebabkan entropi dari sistem dan lingkungannya semakin besar". Jika entropi diasosiasikan dengan kekacauan maka  pernyataan hukum kedua k edua termodinamika di dalam proses-proses alami cenderung bertambah ekivalen dengan menyatakan, kekacauan dari sistem dan lingkungan cenderung semakin  besar. Di dalam ekspansi bebas, molekul-molekul gas yang menempati keseluruhan ruang kotak adalah lebih kacau dibandingkan bila molekul-molekul gas tersebut menempati setengah ruang kotak. Jika dua benda yang memiliki temperatur berbeda T1 dan T2  berinteraksi, sehingga mencapai temperatur yang serba ser ba sama T, maka dapat dikatakan bahwa sistem tersebut menjadi lebih kacau, dalam arti, pernyataan "semua molekul dalam sistem tersebut bersesuaian dengan temperatur T adalah lebih lemah bila dibandingkan dengan  pernyataan semua molekul di dalam dala m benda A bersesuaian dengan temperatur T1 dan benda B  bersesuaian dengan temperatur T2". Di dalam mekanika statistik, hubungan antara entropi dan parameter kekacauan adalah,  pers:(1): S = k log W dimana k adalah konstanta Boltzmann = 1,38066 × 10 -23 JK -1, S adalah entropi sistem, W adalah parameter kekacauan, yakni kemungkinan beradanya sistem tersebut relatif terhadap semua keadaan yang mungkin ditempati. Jika ditinjau perubahan entropi suatu gas ideal di dalam ekspansi isotermal, dimana banyaknya molekul dan temperatur tak berubah sedangkan volumenya semakin besar, maka kemungkinan sebuah molekul dapat ditemukan dalam suatu daerah bervolume V adalah sebanding dengan V; yakni semakin besar V maka

semakin besar pula peluang untuk menemukan molekul tersebut di dalam V. Kemungkinan untuk menemukan sebuah molekul tunggal di dalam V adalah, pers. (2): W1 = c V dimana c adalah konstanta. Kemungkinan menemukan N molekul secara serempak di dalam volume, V adalah hasil kali lipat N dari w. Yakni, kemungkinan dari sebuah keadaan yang terdiri dari N molekul berada di dalam volume V adalah, pers.(3): w = w1N = (cV)N. Jika persamaan (3) disubstitusikan ke (1), maka perbedaan entropi gas ideal dalam proses ekspansi isotermal dimana temperatur dan banyaknya molekul tak berubah, adalah bernilai  positip. Ini berarti entropi gas ideal dalam proses ekspansi isotermal tersebut bertambah  besar. Definisi statistik mengenai entropi, yakni persamaan (1), menghubungkan gambaran termodinamika dan gambaran mekanika statistik yang memungkinkan untuk meletakkan hukum kedua termodinamika pada landasan statistik. Arah dimana proses alami akan terjadi menuju entropi yang lebih tinggi ditentukan oleh hukum kemungkinan, yakni menuju sebuah keadaan yang lebih mungkin. Dalam hal ini, keadaan kesetimbangan adalah keadaan dimana entropi maksimum secara termodinamika dan keadaan yang paling mungkin secara statistik. Akan tetapi fluktuasi, misal gerak Brown, dapat terjadi di sekitar distribusi kesetimbangan. Dari sudut pandang ini, tidaklah mutlak bahwa entropi akan semakin besar di dalam tiap-tiap  proses spontan. Entropi kadang-kadang dapat berkurang. Jika cukup lama ditunggu, keadaan yang paling tidak mungkin sekali pun dapat terjadi: air di dalam kolam tiba-tiba membeku  pada suatu hari musim panas yang panas atau suatu vakum setempat terjadi secara tiba-tiba dalam suatu ruangan. Hukum kedua termodinamika memperlihatkan arah peristiwa-peristiwa yang paling mungkin, bukan hanya peristiwa-peristiwa yang mungkin. 2.

Sejarah Entropi Hukum pertama termodinamika, diresmikan melalui percobaan gesekan panas dari James  Joule di tahun 1843, berkaitan dengan konsep energi, yang kekal dalam semua proses-proses hukum pertama Namun, kekurangan dalam kemampuannya untuk menghitung efek gesekan dan disipasi. Entropi mulai dengan karya Perancis matematikawan Lazare Carnot  pada tahun 1803 tentang Prinsip-Prinsip Dasar Gerakan of Equilibrium dan mengusulkan bahwa dalam setiap mesin dan guncangan percepatannya yang bergerak bagian kerugian semua mewakili momen kegiatan. Dengan kata lain, dalam setiap proses alamiah terdapat kecenderungan inheren terhadap disipasi penggunaan energi. Pada tahun 1824 putranya Lazare Sadi Carnot diterbitkan pada Kekuatan Motif Api di mana ia ditetapkan pandangan bahwa di semua mesin panas ketika "kalori", atau apa yang sekarang dikenal sebagai panas, jatuh melalui perbedaan suhu , bahwa bekerja atau motif kekuasaan dapat dihasilkan dari tindakan yang dilakukan oleh "kejatuhan kalori" antara panas dan dingin tubuh. Ini adalah awal wawasan tentang hukum kedua termodinamika. Carnot mendasarkan pandangan sebagian panas pada awal abad ke-18 "Newtonian hipotesis"   bahwa baik panas dan cahaya itu tidak bisa dihancurkan jenis bentuk materi, yang tertarik dengan hal-hal lain, dan sebagian pada pandangan kontemporer Count Rumford  yang menunjukkan di 1789 bahwa panas dapat diciptakan oleh gesekan seperti ketika meriam melepaskan peluru. Oleh karena itu, Carnot beralasan bahwa jika tubuh bahan kerja, seperti tubuh uap, dibawa kembali ke keadaan semula (suhu dan tekanan) pada akhir lengkap siklus mesin, bahwa "tidak ada perubahan terjadi dalam kondisi tubuh bekerja". Komentar terakhir ini diamandemen dalam catatan kaki, dan itu komentar yang mengarah ke pengembangan entropi.

Pada tahun 1850-an dan 1860-an, fisikawan Jerman  Rudolf Clausius serius menolak anggapan yang terakhir ini, yaitu bahwa tidak ada perubahan terjadi di dalam tubuh bekerja, dan memberikan "perubahan" penafsiran matematis dengan mempertanyakan sifat yang melekat akan hilang kegunaan ketika pekerjaan panas dilakukan, misalnya panas yang dihasilkan oleh gesekan. Clausius entropi digambarkan sebagai transformasi-konten, yaitu disipasi energi yang digunakan, sebuah sistem termodinamika atau badan kerja dari spesies kimia selama perubahan keadaan. Hal ini berbeda dengan sebelumnya dilihat, berdasarkan teori-teori Isaac Newton, yang panas adalah partikel yang telah dihancurkan massa. Kemudian, ilmuwan seperti Ludwig Boltzmann, Josiah Willard Gibbs, dan James Clerk  Maxwell  memberikan dasar statistik entropi. 3. Entropi dan Hukum Kedua Termodinamika Sistem alami cenderung kearah tidak teratur, random, distribusi partikel kurang teratur. Beberapa sistem cenderung lebih tidak teratur (es meleleh) tetapi ada juga yang lebih teratur (air membeku) secara spontan. Dengan meninjau sistem dan lingkungan terlihat semua proses yang berlangsung dalam arah spontan akan meningkatkan entropi total alam semesta (sistem dan lingkungan). Ini yang disebut dengan hukum kedua termodinamika Hukum ini tidak memberikan batasan perubahan entropi sistem atau lingkungan, tetapi untuk perubahan spontan entropi total sistem dan lingkungan harus positif. Suniv = Ssis + Ssurr  > 0 4. Entropi Molar Standar Entropi (S) berhubungan dengan jumlah cara (W) sistem dapat tersusun tanpa merubah energi dalam. Tahun 1877 Ludwig Boltzmann menguraikan hubungan ini secara kuantitatif  S = k ln W dimana k adalah konstanta Blotzmann (R/N A)  1,38x10 -23 J/K  Tidak seperti entalpi, entropi memiliki nilai mutlak dengan menerapkan hukum ketiga Termodinamika yang menyatakan kristal sempurna memiliki entropi nol pada temperatur nol absolut Ssis  = 0 pada 0 K. Pada nol absolut, semua partikel pada kristal memiliki energi minimum sehingga hanya ada satu cara mereka tersusun. Nilai entropi biasanya dibandingkan  pada keadaan standar dengan T tertentu, untuk gas pada 1 atm, larutan 1 M, dan zat murni  pada keadaan paling stabil untuk padat dan cair. Entropi merupakan besaran ekstensif sehingga tergantung pada jumlah oleh karena itu dikenalkan dengan entropi molar standar dalam satuan J/mol K. 5. Memperkirakan Nilai So Relatif Sistem Berdasarkan pengamatan level molekuler kita bisa memperkirakan entropi zat akibat  pengaruh:

a. Perubahan temperatur   b. Keadaan fisik dan perubahan fasa c. Pelarutan solid atau liquid d. Pelarutan gas e. Ukuran atom atau kompleksitas molekul Perubahan Temperatur  S  meningkat seiring dengan kenaikan temperatur  T(K) 273 295 298 o S 31,0 32,9 33,1 Kenaikan temperatur menunjukkan kenaikan energi kinetik rata-rata partikel b. Keadaan Fisik dan Perubahan Fasa Ketika fasa yang lebih teratur berubah ke yang kurang teratur, perubahan entropi positif. Untuk zat tertentu S omeningkat manakala perubahan zat dari solid ke liquid ke gas  Na H2O C(grafit) o • S (s / l) 51,4(s) 69,9 (l) 5,7(s) o • S (g) 153,6 188,7 158,0 c. Pelarutan solid atau liquid Entropi solid atau liquid terlarut biasanya lebih besar dari solut murni, tetapi jenis solut dan solven dan bagaimana proses pelarutannya mempengaruhi entropi overall  NaCl AlCl3 CH3OH o • S s/l 72.1(s) 167(s) 127(l) o • S aq 115,1 -148 132 d. Pelarutan Gas Gas begitu tidak teratur dan akan menjadi lebih teratur saat dilarutkan dalam liquid atau solid. Entropi larutan gas dalam liquid atau solid selalu lebih kecil dibanding gas murni. Saat O2 (Sog = 205,0J/mol K) dilarutkan dalam air, entropi turun drastis (S oaq = 110,9 J/mol K) e. Ukuran Atom atau Kompleksitas molekul Perbedaan entropi zat dengan fasa sama tergantung pada ukuran atom dan komplesitas molekul Li Na K Rb Cs Jari2 152 186 227 248 265 M molar 6.941 22.99 39.10 85.47 132.9 o S (s) 29.1 51.4 64.7 69.5 85.2 Untuk senyawa, entropi meningkat seiring dengan kompleksitas kimia yaitu dengan semakin banyaknya jumlah atom dalam molekul . Hal ini berlaku untuk senyawa ionik dan kovalen  NO NO2 N2O4 o S (g) 211 240 304 Kecenderungan ini didasarkan atas variasi gerakan yang dapat dilakukan molekul Untuk molekul lebih besar lagi, juga perlu diperhitungkan bagaimana bagian dari melekul dapat bergerak terhadap bagian lain. Rantai hidrokarbon panjang dapat berotasi dan  bervibrasi dengan lebih banyak cara dibanding rantai pendek  CH4 C2H6 C3H8 C4H10 o S 186 230 270 310 a.

o