EKUILIBRIUM TERMODINAMIKA: KELAS DAN APLIKASI - FISIK - 2025

The kesetimbangan termodinamika dari sistem terisolasi didefinisikan sebagai keadaan seimbang di mana variabel yang mencirikan dan yang dapat diukur atau dihitung tidak mengalami perubahan, mengingat bahwa karena keterpencilannya tidak ada kekuatan eksternal yang cenderung untuk memodifikasi negara itu. .

Baik sistem maupun kelas ekuilibrium yang dipertimbangkan sangat beragam. Sebuah sistem dapat berupa sel, minuman dingin, pesawat yang penuh penumpang, orang, atau mesin, untuk menyebutkan beberapa contoh saja. Mereka juga dapat diisolasi, tertutup atau terbuka, tergantung pada apakah mereka dapat bertukar energi dan materi dengan lingkungannya atau tidak.

Komponen koktail berada dalam kesetimbangan termal. Sumber: Pexels.

Sistem yang terisolasi tidak berinteraksi dengan lingkungan, tidak ada yang masuk atau keluar. Sistem tertutup dapat bertukar energi tetapi tidak peduli dengan lingkungan sekitarnya. Akhirnya, sistem terbuka bebas melakukan pertukaran dengan lingkungan.

Nah, sistem terisolasi yang dibiarkan berkembang cukup lama, secara spontan cenderung menuju kesetimbangan termodinamika di mana variabel-variabelnya akan mempertahankan nilainya tanpa batas. Dan jika ini adalah sistem terbuka, nilainya harus sama dengan nilai lingkungan.

Ini akan dicapai selama semua kondisi ekuilibrium yang diberlakukan oleh setiap jenis tertentu terpenuhi.

Kelas keseimbangan

Ekuilibrium termal

Salah satu jenis kesetimbangan fundamental adalah kesetimbangan termal, yang hadir dalam banyak situasi sehari-hari, seperti secangkir kopi panas dan sendok yang digunakan untuk mengaduk gula.

Sistem seperti itu secara spontan cenderung memperoleh suhu yang sama setelah waktu tertentu, setelah itu kesetimbangan tiba karena semua bagian berada pada suhu yang sama.

Saat itu terjadi, ada perbedaan suhu yang mendorong pertukaran panas di seluruh sistem. Setiap sistem memiliki waktu untuk mencapai kesetimbangan termal dan mencapai suhu yang sama di semua titik yang disebut waktu relaksasi.

Keseimbangan mekanis

Ketika tekanan di semua titik dalam suatu sistem konstan, itu berada dalam kesetimbangan mekanis.

Neraca kimiawi

Kesetimbangan kimiawi, kadang juga disebut kesetimbangan material, tercapai bila komposisi kimia suatu sistem tetap tidak berubah dari waktu ke waktu.

Secara umum, suatu sistem dianggap dalam kesetimbangan termodinamika ketika berada dalam kesetimbangan termal dan mekanis secara bersamaan.

Variabel termodinamika dan persamaan keadaan

Variabel yang dipelajari untuk menganalisis kesetimbangan termodinamika suatu sistem beragam, yang paling umum digunakan adalah tekanan, volume, massa, dan suhu. Variabel lain termasuk posisi, kecepatan dan lain-lain yang pemilihannya tergantung pada sistem yang diteliti.

Jadi, karena menunjukkan koordinat suatu titik memungkinkan untuk mengetahui lokasi tepatnya, mengetahui variabel termodinamika secara tegas menentukan keadaan suatu sistem. Setelah sistem berada dalam ekuilibrium, variabel ini memenuhi hubungan yang dikenal sebagai persamaan keadaan.

Persamaan keadaan merupakan fungsi dari variabel termodinamika yang bentuk umumnya adalah:

Dimana P adalah tekanan, V adalah volume, dan T adalah suhu. Secara alami persamaan keadaan dapat diekspresikan dalam variabel lain, tetapi seperti yang dikatakan sebelumnya, ini adalah variabel yang paling banyak digunakan untuk mengkarakterisasi sistem termodinamika.

Salah satu persamaan keadaan yang paling terkenal adalah persamaan gas ideal PV = nRT. Di sini n adalah jumlah mol, atom atau molekul dan R adalah konstanta Boltzmann: 1,30 x 10 ^-23 J / K (Joule / Kelvin).

Ekuilibrium termodinamika dan hukum nol Termodinamika

Misalkan kita memiliki dua sistem termodinamika A dan B dengan termometer yang akan kita sebut T, yang bersentuhan dengan sistem A cukup lama sehingga A dan T mencapai suhu yang sama. Dalam kasus seperti ini dapat dipastikan bahwa A dan T berada dalam kesetimbangan termal.

Dengan bantuan termometer hukum nol termodinamika diverifikasi. Sumber: Pexels.

Prosedur yang sama kemudian diulangi dengan sistem B dan T. Jika suhu B ternyata sama dengan A, maka A dan B berada dalam kesetimbangan termal. Hasil ini dikenal dengan hukum nol atau prinsip nol Termodinamika, yang secara formal dinyatakan sebagai berikut:

Dan dari prinsip ini dapat disimpulkan sebagai berikut:

Oleh karena itu, dua benda dalam kontak termal yang tidak pada suhu yang sama tidak dapat dianggap dalam kesetimbangan termodinamika.

Kesetimbangan entropi dan termodinamika

Apa yang mendorong sistem untuk mencapai kesetimbangan termal adalah entropi, besaran yang menunjukkan seberapa dekat sistem tersebut dengan kesetimbangan, yang menunjukkan keadaan ketidakteraturannya. Semakin banyak kekacauan, semakin banyak entropi yang ada, justru sebaliknya terjadi jika suatu sistem sangat teratur, dalam hal ini entropi berkurang.

Keadaan kesetimbangan termal tepatnya adalah keadaan entropi maksimum, yang berarti bahwa setiap sistem yang terisolasi berjalan secara spontan menuju keadaan yang lebih tidak teratur.

Sekarang, transfer energi termal dalam sistem diatur oleh perubahan entropinya. Misalkan S adalah entropi dan mari kita tunjukkan dengan huruf Yunani "delta" perubahan di dalamnya: ΔS. Perubahan yang membawa sistem dari keadaan awal ke keadaan akhir didefinisikan sebagai:

Persamaan ini hanya berlaku untuk proses yang dapat dibalik. Proses di mana sistem dapat sepenuhnya kembali ke kondisi awalnya dan berada dalam kesetimbangan termodinamika di setiap titik di sepanjang jalan.

Contoh sistem dengan peningkatan entropi

- Dalam perpindahan panas dari benda yang lebih panas ke benda yang lebih dingin, entropi meningkat hingga suhu keduanya sama, setelah itu nilainya tetap konstan jika sistem diisolasi.

- Contoh lain dari peningkatan entropi adalah pelarutan natrium klorida dalam air, hingga mencapai kesetimbangan segera setelah garam larut sepenuhnya.

- Dalam padatan yang meleleh, entropinya juga meningkat, karena molekul bergerak dari keadaan yang lebih teratur, yaitu padat, ke yang lebih tidak teratur sebagai cairan.

- Dalam beberapa jenis peluruhan radioaktif spontan, jumlah partikel yang dihasilkan meningkat dan bersamaan dengan itu entropi sistem. Dalam peluruhan lain di mana pemusnahan partikel terjadi, terjadi transformasi dari massa menjadi energi kinetik yang akhirnya menghilangkan panas, dan entropi juga meningkat.

Contoh semacam itu menyoroti fakta bahwa kesetimbangan termodinamika adalah relatif: suatu sistem dapat berada dalam kesetimbangan termodinamika secara lokal, misalnya jika sistem cangkir kopi + sendok teh dipertimbangkan.

Namun, cangkir kopi + sendok + sistem lingkungan mungkin tidak berada dalam kesetimbangan termal sampai kopi benar-benar dingin.

Referensi

1. Bauer, W. 2011. Fisika untuk Teknik dan Sains. Jilid 1. Mc Graw Hill. 650-672.
2. Cengel, Y. 2012. Termodinamika. Edisi 7 ^ma . McGraw Hill. 15-25 dan 332-334.
3. Termodinamika. Diperoleh dari: ugr.es.
4. Universitas Nasional Rosario. Fisikokimia I. Diperoleh dari: rephip.unr.edu.ar
5. Watkins, T. Entropy dan Hukum Kedua Termodinamika dalam Interaksi Partikel dan Nuklir. Universitas Negeri San Jose. Diperoleh dari: sjsu.edu.
6. Wikipedia. Ekuilibrium termodinamika. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org.