Diskusi 7 POTENSIAL TERMODINAMIKA

Diskusi 7

POTENSIAL TERMODINAMIKA

Pertanyaan :
Tuliskan empat besaran yang seringkali dikenal sebagai “potensial termodinamika”!

Jawaban :

Pengertian potensial termodinamik

Potensial termodinamik adalah fungsi termodinamik yang digunakan dalam membahas sifat dan stabilitas suatu sistem termodinamik.

Potensial termodinamik yang sering digunakan adalah, Entalpi (H ), Energi Dalam (U ), Energi Bebas Helmholtz (F) dan Energi Bebas Gibbs (G). Secara matematik, peninjauan fisika biasanya menggunakan Energi Dalam U(V,T) sebagai potensial termodinamik, sedangkan dalam kimia digunakan Entalpi H(P,T). 

Empat Besaran yang di kenal sebagai Potensial Termodinamika yaitu :

1. Entalphi (H)
2. Energi Thermal / Energi Dalam (U)
3. Fungsi Helmholtz / Energi Bebas Helmholtz (F)
4. Fungsi Gibbs / Energi Bebas Gibbs (G)

ENTALPHI (H) :

Entalpi (H) adalah istilah dalam termodinamika yang menyatakan jumlah energi dari suatu sistem termodinamika. Entalpi terdiri dari energi dalam sistem, termasuk satu dari besaran potensial termodinamika dan fungsi keadaan, juga volume dan tekanannya (merupakan besaran ekstensif) Satuan SI dari entalpi adalah Joule, namun digunakan juga satuan British thermal unit dan kalor.

Entalphi (H) didefinisikan :

H = U + PV

Dalam koordinat Alamnya :

dH = F dS + V dP

Perubahan Entalphi (H) ketika sistem mengalami Proses infinitesimal adalah :

dH = dU + PdV + VdP

Dari Hukum ke-1, untuk proses yang reversibel :

TdS = dU + P dV

Maka ditulis :

dH = T dS + V dP

Karena S dan P sebagai koordinat alami dari H maka ditulis H = H(S,P) dan persamaannya :

Fungsi Entalphi (H) ini,  mampu melukiskan sifat – sifat zat murni.

Sifat zat murni dapat dilukiskan dengan diagram H-S-P, yang berupa suatu permukaan dengan T dan V menyatakan nilai kemiringan fungsi H tersebut.

ENERGI THERMAL/ENERGI DALAM (U) :

Energi dalam (U) adalah total Energi Kinetik (Ek) dan Energi Potensial (Ep) yang ada di dalam sistem. Oleh karena itu Energi Dalam bisa dirumuskan dengan persamaan :  U = Ek + Ep. 

Namun karena besar Energi Kinetik dan Energi Potensial pada sebuah sistem tidak dapat diukur, maka besar Energi Dalam sebuah sistem juga tidak dapat ditentukan, yang dapat ditentukan adalah besar Perubahan Energi dalam suatu sistem.

Perubahan energi dalam dapat diketahui dengan mengukur Kalor (Q) dan Kerja (W), yang akan timbul bila suatu sistem bereaksi. Oleh karena itu, perubahan energi dalam dirumuskan dengan persamaan : 

U = Q + W

Jika sistem menyerap kalor, maka Q bernilai positif (+)

Jika sistem melepaskan kalor ke lingkungan, maka Q bernilai negative (-)

Jika sistem melakukan kerja, maka W pada rumus tersebut bernilai positif (+)

Jika sistem dikenai kerja oleh lingkungan, maka W bernilai negative (-)

Sebagai fungsi termodinamik, Energi dalam (U) dapat dinyatakan sebagai fungsi dua koordinat termodinamik yang mana saja. Misalnya : 

U = U(P,V)

U = U(P,T)

U = U(V,T)

Dalam koordinat alamnya : 

dU = T dS – P dV

Dari Hukum ke-1, untuk sistem hidrostatis :

dU = dQ – P dV

Karena S dan V sebagai koordinat alami dari U maka ditulis  U = U(S,V) dan  persamaannya :

FUNGSI HELMHOLTZ (F) :

Energi bebas Helmholtz (F) adalah potensial termodinamika yang mengukur kerja yang "bermanfaat" dari sistem termodinamika tertutup dengan suhu dan volume yang konstan. Perbedaan negatif energi Helmholtz sama dengan jumlah maksimal kerja yang dapat dilakukan suatu sistem dalam proses termodinamika dengan volume konstan.

Fungsi Helmholtz atau energy bebas Helmholtz, didefinisikan sebagai :

F = U – TS

Dalam koordinat alamnya :

dF = S dT – P dV

Untuk proses reversible  infinitesimal, perubahan kecil dari F  :

dF = dU – T dS – S dT

Dari Hukum ke-1 , untuk proses reversibel :

dU  - TdS = - P dV

sehingga :

dF = - P dV – S dT

Karena T dan V sebagai koordinat alami dari F maka ditulis F = F(T,V) dan persamaannya :

Fungsi Helmholtz, didefinisikan oleh karena banyak proses kimia yang berlangsung secara isoterm dan isovolum. 

FUNGSI GIBBS (G) :

Energi bebas Gibbs (G) adalah suatu potensial termodinamika yang dapat digunakan untuk menghitung kerja reversibel maksimum yang dapat dilakukan oleh sistem termodinamika pada suhu dan tekanan konstan (isotermik, isobarik).

Penurunan energi bebas Gibbs (Joule dalam SI) adalah jumlah maksimum pekerjaan non-ekspansi yang dapat diekstraksi dari sistem termodinamika tertutup; maksimum tersebut dapat dicapai hanya dalam proses yang sepenuhnya reversibel. 

Ketika sebuah sistem berubah secara reversibel dari keadaan awal ke keadaan akhir, penurunan energi bebas Gibbs sama dengan kerja yang dilakukan oleh sistem ke lingkungannya, dikurangi dengan kerja dari gaya tekanan.

Energi Gibbs (G) juga merupakan potensial termodinamika yang diminimalkan saat sistem mencapai kesetimbangan pada tekanan dan suhu konstan. Derivasinya sehubungan dengan koordinat reaksi sistem yang hilang pada titik kesetimbangan. Dengan demikian, pengurangan G adalah kondisi yang diperlukan untuk spontanitas proses pada tekanan dan suhu konstan.

Fungsi Gibbs atau energy bebas Gibbs didefinisikan sebagai :

G = H – TS

Dalam koordinat alamnya :

dG = V dP – S dT

Untuk proses reversible infinitesimal :

dG = dH – T dS – S dT

Dari Hukum ke-1, untuk proses reversible :

dH – T dS = V dP

sehingga :

dG = V dP – S dT

Karena P dan T sebagai koordinat alami dari G maka ditulis G = G(P,T) dan persamaannya :

Fungsi Gibbs adalah untuk menjelaskan proses yang berlangsung secara isotermal dan isobarik seperti pada proses perubahan fase.

di mana:

H = Entalpi (Joule)

U = Energi Dalam /Energi Thermal (Joule)

F = Fungsi Helmholtz / Energi Bebas Helmholtz (Joule)

G = Fungsi Gibbs / Energi Bebas Gibbs (Joule)

P = Tekanan (Pa)

V = volume  (m3)

T = Suhu (K)

S = Entropi (J/K)

Kesimpulan :

Keempat Potensial Termodinamik yaitu H, U, F dan G merupakan fungsi keadaan , jadi dH, dU, dF dan dG merupakan diferensial eksak.

Entalphi (H), Energi Dalam (U), Fungsi HelmHoltz (F) dan Fungsi Gibbs (G) mempunyai kedudukan yang sama dengan kedudukan potensial listrik (Φ) yakni : 

Sifat – sifat Potensial Termodinamik di tunjukkan pada proses – proses berikut :

1) Proses perubahan fase  ∆H = Q

Proses – proses yang berkaitan dengan Entalphi (H), persamaan umumnya adalah :

dH = dQ + V dP

Pada proses isobarik (dP = 0) maka :

dH = dQ

H_f – H_i = Q

∆H = Q

Artinya perubahan Entalpi (∆H) selama proses isobarik sama dengan kalor yang terlibat pada proses tersebut. Contoh proses yang berlangsung secara isobarik adalah proses peleburan, penguapan, dan sublimasi.

Pada proses perubahan fase ini kalor yang terlibat selama proses tersebut biasa disebut sebagai kalor laten dan terukur ketika terjadi pergantian fase adalah perubahan entalpinya

2) Proses throttling H_i = H_f

Pada proses throttling Entalpi Akhir = Entalpi Awal

3) Proses isovolum ∆U = Q

Proses – proses yang berkaitan dengan Energi Dalam (U), persamaan umumnya adalah : 

dU = dQ – P dV

Pada proses isovolum (dV = 0)  maka :

dU = dQ

U_f –U_i = Q

∆U = Q

Artinya perubahan Energi Dalam sistem pada proses isovolum sama dengan kalor yang terlibat pada proses tersebut.

4) Proses ekspansi bebas U_i = U_f

Proses – proses yang berkaitan dengan Energi Dalam (U) , yang persamaan umumnya adalah 

dU = dQ – P dV

Apabila persamaan diatas dibagi dengan dT maka :

Pada proses isovolum (dV = 0) maka :

Jadi pada proses isovolum (dV = 0), diperoleh :

Pada proses adiabatik (dQ = 0), juga diperoleh :

Telah diperoleh untuk proses ekspansi bebas :

U_f = U_i    

5) Proses isotherm ∆F = WT

Proses – proses yang berkaitan dengan Fungsi Helmholtz (F), persamaan umumnya adalah :

dF = S dT – P dV

Pada proses isotermik (dT = 0) maka :

Artinya perubahan Fungsi Helmholtz selama proses isotermik sama dengan kerja yang terlibat pada proses tersebut.

6) Proses isovolum dan isotermik Fi = Ff

Proses – proses yang berkaitan dengan Fungsi Helmholtz (F), persamaan umumnya adalah :

dF = S dT – P dV

Pada proses isovolum (dV = 0) dan proses isotermik (dT = 0) maka :

dF = 0 F = tetap

Artinya pentingnya fungsi F adalah dalam segi teoritisnya.
Dalam fisika statistik F ternyata dapat diturunkan secara teoritis, sebagai fungsi T dan V.

7) Proses isobarik dan isotermik Gi = Gf
Proses – proses yang berkaitan dengan Fungsi Gibbs (G) , persamaan umumnya adalah 

dG = V dP – S dT

Pada proses isotermik (dT = 0) maka :

dG = VdP

Pada proses isobarik (dP = 0) maka :

dG = -S dT

Proses isotermik (dV = 0) dan proses isobarik (dP = 0) diperoleh :

dG = 0          G = tetap

Proses ini sangat berkaitan dengan proses perubahan fase seperti : peleburan, penguapan dan sublimasi yang berlangsung secara isotermik dan isobarik. Jadi pada proses perubahan fase fungsi Gibbs system tetap.

No.	Materi	Type File	Link Download
1.	Inisiasi 7.1	Pdf	N/A
2.	Diskusi 7	Pdf	Link 2
3.	Tugas 3	Pdf	Link 3