TERMODINAMIKA

TERMODINAMIKA
ENTROPI, ENERGI BEBAS DAN
ARAH REAKSI
Entropi dan Ketidakteraturan
• Redistribusi partikel gas dalam wadah terjadi tanpa
perubahan energi dalam total sistem, semua susunan
ekivalen
• Jumlah cara komponen sistem dapat disusun tanpa
merubah energi sistem terkait erat dengan kuantitas
entropi (S)
• Entropi adalah ukuran ketidakteraturan sistem
• Sistem dengan cara tersusun ekivalen komponennya
sedikit seperti kristal padat memiliki ketidakteraturan
yang kecil atau entropi rendah
• Sistem dengan cara tersusun ekivalen komponennya
banyak seperti gas memiliki ketidakteraturan besar atau
entropi tinggi
• Jika entropi sistem meningkat, komponen sistem
menjadi semakin tidak teratur, random dan
energi sistem lebih terdistribusi pada range lebih
besar Sdisorder > Sorder
• Seperti halnya energi dalam atau entalpi, entropi
juga fungsi keadaan yaitu hanya tergantung
pada keadaan awal dan akhir tidak pada
bagaimana proses terjadinya
Ssis = Sfinal – Sinitial
• Jika entropi meningkat maka Ssis akan positif,
sebaliknya jika entropi turun, maka Ssis akan
negatif
Entropi dan Hukum Kedua Termodinamika
• Apa yang menentukan arah perubahan spontan?
• 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
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/NA)  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
Memperkirakan Nilai So Relatif Sistem
•
Berdasarkan pengamatan level
molekuler kita bisa memperkirakan
entropi zat akibat pengaruh
1.
2.
3.
4.
5.
Perubahan temperatur
Keadaan fisik dan perubahan fasa
Pelarutan solid atau liquid
Pelarutan gas
Ukuran atom atau kompleksitas molekul
1. Perubahan Temperatur
• So meningkat seiring dengan kenaikan
temperatur
T(K)
273
295
298
So
31,0
32,9
33,1
• Kenaikan temperatur menunjukkan
kenaikan energi kinetik rata-rata partikel
2. Keadaan Fisik dan Perubahan Fasa
• Ketika fasa yang lebih teratur berubah ke
yang kurang teratur, perubahan entropi
positif
• Untuk zat tertentu So meningkat manakala
perubahan zat dari solid ke liquid ke gas
Na
H 2O
C(grafit)
• So (s / l)
51,4(s) 69,9 (l) 5,7(s)
• So (g)
153,6
188,7
158,0
3. 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
• So s/l 72.1(s) 167(s)
127(l)
• Soaq
115,1
-148
132
4. 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 (Soaq =
110,9 J/mol K)
5. 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
• So(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
N 2O 4
• So(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
• So 186
230
270
310
Latihan
Mana entropi yang lebih tinggi
• 1 mol SO2(g) atau 1 mol SO3(g)
• 1 mol CO2(s) atau 1 mol CO2(g)
• 3 mol gas oksigen (O2) atau 2 mol gas ozon (O3)
• 1 mol KBr(s) atau 1 mol KBr(aq)
• Air laut pada pertengahan musim dingin 2oC
atau pada pertengahan musim panas 23oC
• 1 mol CF4(g) atau 1 mol CCl4(g)
Entropi Standar Reaksi Sorxn
• Sorxn = mSoproduk - nSoreaktan
• m dan n adalah jumlah individual spesies diwakili oleh
koefisien reaksi
• Jika ammonia terbentuk dari komponen nya, 4 mol gas
menghasilkan 2 mol gas karena gas memiliki entropi
molar tinggi, terlihat entropi produk kurang dari reaktan
sehingga entropi turun selama reaksi
• N2(g) + 3H2(g)  2NH3(g)
• Sorxn = (2 mol NH3 x So NH3) – [(1 mol N2 x So N2) + (3
mol H2 x So H2)]
• Sorxn = (2 x 193) – [(1 x 191,5) + (3 x 130,6) = -197 J/K
• Hk kedua menyatakan penurunan entropi sistem hanya
dapat terjadi jika entropi lingkungan meningkat
melebihinya
• Peran penting lingkungan adalah dalam memberi
panas ke sistem atau mengambilnya dari sistem (lingk
dapat berperan sebagai source or heat sink)
• Pada perubahan eksotermik, panas yang dilepas
sistem, diserap oleh lingkungan ini menyebabkan gerak
random partikel dilingkungan meningkat sehingga
entropi meningkat qsis < 0, qsurr > 0, Ssurr > 0
• Pada perubahan endotermik, sistem menyerap panas
dan lingkungan melepas panas, sehingga entropi
lingkungan menurun, qsis > 0, qsurr < 0, Ssurr < 0
• Perubahan entropi lingkungan berbanding lurus
dengan perubahan panas sistem dan
berbanding terbalik dengan temperatur
lingkungan sebelum transfer panas
Ssurr  -qsis, dan Ssurr  1/T
• Kombinasinya menghasilkan
Ssurr = -qsis/T
• Jika proses berlangsung pada tekanan konstan,
qp sama dengan H sehingga
Ssurr = -Hsis/T
• Kita dapat menghitung Ssurr dengan mengukur
Hsis dan temperatur ketika perubahan terjadi
Contoh Soal
• Pada 298K pembentukan ammonia
memiliki Sosis negatif
N2(g) + 3H2(g)  2NH3(g) Sosis = -197 J/K
Hitung Souniv dan nyatakan apakah reaksi
terjadi spontan pada temperatur ini!
• Apakah oksidasi FeO(s) menjadi Fe2O3(s)
terjadi secara spontan pada 298 K?
Perubahan Entropi dan Keadaan
Kesetimbangan
• Perubahan mengarah kekesetimbangan secara
spontan, Suniv > 0
• Ketika kesetimbangan tercapai tidak ada lagi
daya untuk mendorong perubahan sehingga
Suniv = 0. Pada titik ini perubahan entropi pada
sistem diikuti perubahan entropi lingkungan
dalam jumlah yang sama tetapi berbeda tanda
• Pada kesetimbangan Suniv = Ssis + Ssurr = 0
• Atau Ssis = -Ssurr
Kesetimbangan Uap Air
• Penguapan 1 mol air pada 100oC (373 K)
H2O(l:373 K)  H2O(g: 373 K)
Sosis
= So H2O(g) – So H2O(l)
= 195,9 – 86,8 = 109,1 J/K
• Sistem menjadi lebih tidak teratur
Ssurr
= -Hosis/T = -Hovap/T
= -40,7 x 103 J/373 K = -109 J/K
Suniv = 109 J/K + (-109 J/K) = 0
• Saat kesetimbangan tercapai, proses reaksi
berlangsung spontan baik arah maju maupun
balik
Eksotermik dan Endotermik
Spontan
• Reaksi Eksotermik
C6H12O6(s) + 6O2(g)  6CO2(g) + 6H2O(g) +
kalor
CaO(s) + CO2(g)  CaCO3(s) + kalor
• Reaksi Endotermik
Kalor + Ba(OH)2·8H2O(s) + 2NH4NO3(s) 
Ba2+(aq) + 2NO3-(aq) + 2NH3(aq) + 10H2O(l)
Entropi, Energi Bebas dan Kerja
• Spontanitas dapat ditentukan dengan mengukur
Ssis dan Ssurr, tetapi akan lebih mudah jika kita
memiliki satu parameter saja untuk menentukan
spontanitas
• Energi bebas Gibbs (G) adalah fungsi yang
menggabungkan entalpi dan entropi dari sistem
G = H – TS
• Diajukan oleh Josiah Willard Gibbs 1877
•
•
•
•
•
Suniv = Ssis + Ssurr
Pada Tekanan konstan Ssurr = -Hsis/T
Suniv = Ssis - Hsis/T
Jika kedua sisi dikalikan –T maka
-TSuniv = Hsis - TSsis atau
-TSuniv = Gsis
Suniv > 0 spontan  G < 0
Suniv < 0 non spontan  G > 0
Suniv = 0 setimbang  G = 0
Menghitung Perubahan Energi
Bebas Standar
Gosis = Hosis - TSosis
• Energi bebas Gibbs juga dapat dihitung
(karena ia fungsi keadaan) dari energi
bebas produk dan reaktan
Gorxn = mGof(produk) - nGof(reaktan)
• Catatan : Gof suatu unsur pada keadaan
standarnya adalah nol