PROSES TERMODINAMIKA: JENIS DAN CONTOH - KIMIA - 2024

Proses termodinamika adalah fenomena fisika atau kimiawi yang melibatkan aliran panas (energi) atau kerja antara suatu sistem dan lingkungannya. Ketika berbicara tentang panas, gambaran api secara rasional muncul di benak, yang merupakan perwujudan klasik dari sebuah proses yang melepaskan banyak energi panas.

Sistem dapat berupa makroskopik (kereta api, roket, gunung berapi) dan mikroskopis (atom, bakteri, molekul, titik kuantum, dll.). Ini dipisahkan dari alam semesta lainnya untuk mempertimbangkan panas atau kerja yang masuk atau keluarnya.

Namun, tidak hanya aliran panas yang ada, tetapi sistem juga dapat menghasilkan perubahan pada beberapa variabel di lingkungannya sebagai respons terhadap fenomena yang dipertimbangkan. Menurut hukum termodinamika, harus ada pertukaran antara respons dan panas sehingga materi dan energi selalu kekal.

Di atas berlaku untuk sistem makroskopik dan mikroskopis. Perbedaan antara yang pertama dan terakhir adalah variabel yang dianggap menentukan status energinya (intinya, awal dan akhir).

Namun, model termodinamika berusaha menghubungkan kedua dunia dengan mengontrol variabel seperti tekanan, volume dan suhu sistem, menjaga beberapa dari konstanta ini untuk mempelajari pengaruh yang lain.

Model pertama yang memungkinkan pendekatan ini adalah model gas ideal (PV = nRT), di mana n adalah jumlah mol, yang jika dibagi dengan volume V menghasilkan volume molar.

Kemudian, dengan menyatakan perubahan antara lingkungan sistem sebagai fungsi dari variabel-variabel ini, variabel lain dapat didefinisikan, seperti pekerjaan (PV = W), penting untuk mesin dan proses industri.

Di sisi lain, untuk fenomena kimia, jenis variabel termodinamika lain lebih diminati. Ini secara langsung berkaitan dengan pelepasan atau penyerapan energi, dan bergantung pada sifat intrinsik molekul: pembentukan dan jenis ikatan.

Sistem dan fenomena dalam proses termodinamika

Pada gambar atas, tiga jenis sistem direpresentasikan: tertutup, terbuka dan adiabatik.

Dalam sistem tertutup tidak ada perpindahan materi antara itu dan sekitarnya, sehingga tidak ada materi yang bisa masuk atau keluar; namun, energi dapat melewati batas kotak. Dengan kata lain: fenomena F dapat melepaskan atau menyerap energi, sehingga mengubah apa yang ada di luar kotak.

Di sisi lain, dalam sistem terbuka, cakrawala sistem memiliki garis putus-putus, yang berarti bahwa energi dan materi dapat datang dan pergi antara dirinya dan sekitarnya.

Akhirnya, dalam sistem yang terisolasi pertukaran materi dan energi antara itu dan lingkungan adalah nol; untuk alasan ini, pada gambar kotak ketiga diapit gelembung. Perlu diklarifikasi bahwa lingkungan dapat menjadi sisa alam semesta, dan studi adalah yang menentukan sejauh mana mempertimbangkan ruang lingkup sistem.

Fenomena fisik dan kimia

Apa secara spesifik fenomena F? Ditunjukkan dengan huruf F dan dalam lingkaran kuning, fenomena tersebut adalah perubahan yang terjadi dan dapat berupa modifikasi fisik materi, atau transformasinya.

Apa bedanya? Singkatnya: yang pertama tidak merusak atau membuat tautan baru, sedangkan yang kedua tidak.

Dengan demikian, proses termodinamika dapat dipertimbangkan menurut fenomena fisik atau kimiawi. Namun, keduanya memiliki perubahan yang sama dalam beberapa sifat molekul atau atom.

Contoh fenomena fisik

Pemanasan air dalam panci menyebabkan peningkatan tumbukan antar molekulnya, sampai pada titik di mana tekanan uapnya sama dengan tekanan atmosfer, dan kemudian terjadi perubahan fasa dari cairan menjadi gas. Dengan kata lain: air menguap.

Di sini molekul air tidak memutus ikatannya, tetapi sedang mengalami perubahan energik; atau apa yang sama, energi internal U air diubah.

Apa variabel termodinamika untuk kasus ini? Tekanan atmosfir P _ex , hasil temperatur dari pembakaran gas masak dan volume air.

Tekanan atmosfir konstan, tetapi suhu air tidak, karena air memanas; atau volume, karena molekulnya mengembang di ruang angkasa. Ini adalah contoh fenomena fisik dalam proses isobarik; yaitu, sistem termodinamika pada tekanan konstan.

Bagaimana jika Anda memasukkan air dengan beberapa kacang ke dalam panci presto? Dalam hal ini, volumenya tetap konstan (selama tidak ada tekanan yang dilepaskan saat biji matang), tetapi tekanan dan suhu berubah.

Hal ini dikarenakan gas yang dihasilkan tidak dapat keluar dan memantul dari dinding panci dan permukaan cairan. Kemudian kita berbicara tentang fenomena fisik lain tetapi dalam proses isochoric.

Contoh fenomena kimia

Disebutkan bahwa terdapat variabel termodinamika yang melekat pada faktor mikroskopis, seperti struktur molekul atau atom. Apa variabel-variabel ini? Entalpi (H), entropi (S), energi dalam (U), dan energi bebas Gibbs (S).

Variabel intrinsik materi ini didefinisikan dan dinyatakan dalam variabel termodinamika makroskopis (P, T dan V), menurut model matematika yang dipilih (umumnya gas ideal). Berkat termodinamika inilah studi dapat dilakukan pada fenomena kimiawi.

Misalnya, Anda ingin mempelajari reaksi kimia dengan tipe A + B => C, tetapi reaksi tersebut hanya terjadi pada suhu 70 ºC. Selanjutnya pada temperatur diatas 100 ºC, bukannya C yang diproduksi, D.

Dalam kondisi tersebut, reaktor (perakitan tempat terjadinya reaksi) harus menjamin suhu konstan sekitar 70 ºC, sehingga prosesnya bersifat isotermal.

Jenis dan contoh proses termodinamika

Proses adiabatik

Mereka adalah mereka yang tidak memiliki transfer bersih antara sistem dan lingkungannya. Ini dalam jangka panjang dijamin oleh sistem yang terisolasi (kotak di dalam gelembung).

Contoh

Contohnya adalah kalorimeter, yang menentukan jumlah panas yang dilepaskan atau diserap dari reaksi kimia (pembakaran, pelarutan, oksidasi, dll.).

Dalam fenomena fisik adalah gerakan yang ditimbulkan oleh gas panas akibat tekanan yang diberikan pada piston. Demikian pula, ketika arus udara memberikan tekanan pada permukaan terestrial, suhunya meningkat karena dipaksa untuk mengembang.

Sebaliknya, jika permukaan lainnya berbentuk gas dan memiliki massa jenis yang lebih rendah, suhunya akan turun saat merasakan tekanan yang lebih tinggi, memaksa partikelnya untuk mengembun.

Proses adiabatik ideal untuk banyak proses industri, di mana kehilangan panas yang lebih rendah berarti kinerja yang lebih rendah yang tercermin dalam biaya. Untuk mempertimbangkannya seperti itu, aliran panas harus nol atau jumlah panas yang masuk ke sistem harus sama dengan yang masuk ke sistem.

Proses isotermal

Proses isotermal adalah semua proses di mana suhu sistem tetap konstan. Ini dilakukan dengan melakukan pekerjaan, sehingga variabel lain (P dan V) bervariasi dari waktu ke waktu.

Contoh

Contoh dari jenis proses termodinamika ini tidak terhitung banyaknya. Intinya, banyak aktivitas sel berlangsung pada suhu konstan (pertukaran ion dan air melintasi membran sel). Dalam reaksi kimia, semua yang membentuk kesetimbangan termal dianggap sebagai proses isotermal.

Metabolisme manusia berhasil mempertahankan suhu tubuh yang konstan (sekitar 37ºC) melalui serangkaian reaksi kimia yang luas. Ini dicapai berkat energi yang diperoleh dari makanan.

Perubahan fase juga merupakan proses isotermal. Misalnya, ketika cairan membeku melepaskan panas, mencegah suhu terus menurun hingga benar-benar dalam fase padat. Jika ini terjadi, suhu dapat terus menurun, karena zat padat tidak lagi melepaskan energi.

Dalam sistem yang melibatkan gas ideal, perubahan energi dalam U adalah nol, jadi semua panas digunakan untuk melakukan pekerjaan.

Proses isobarik

Dalam proses ini tekanan dalam sistem tetap konstan, dengan mengubah volume dan suhunya. Secara umum, hal ini dapat terjadi dalam sistem yang terbuka ke atmosfer, atau dalam sistem tertutup yang batas-batasnya dapat diubah bentuknya oleh peningkatan volume, dengan cara yang dapat menangkal peningkatan tekanan.

Contoh

Dalam silinder di dalam mesin, saat gas dipanaskan, ia mendorong piston, yang mengubah volume sistem.

Jika tidak demikian, tekanan akan meningkat, karena sistem tidak memiliki cara untuk mengurangi tumbukan spesi gas pada dinding silinder.

Proses isokorik

Dalam proses isochoric volume tetap konstan. Ini juga dapat dianggap sebagai sistem di mana sistem tidak menghasilkan pekerjaan apa pun (W = 0).

Pada dasarnya, mereka adalah fenomena fisik atau kimiawi yang dipelajari di dalam wadah apapun, baik dengan agitasi maupun tidak.

Contoh

Contoh dari proses ini adalah pemasakan makanan, penyiapan kopi, pendinginan botol es krim, kristalisasi gula, pelarutan endapan yang sulit larut, kromatografi pertukaran ion, dan lain-lain.

Referensi

1. Jones, Andrew Zimmerman. (2016, 17 September). Apa itu Proses Termodinamika? Diambil dari: thoughtco.com
2. J. Wilkes. (2014). Proses termodinamika. . Diambil dari: course.washington.edu
3. Study (9 Agustus 2016). Proses Termodinamika: Isobarik, Isochoric, Isothermal & Adiabatic. Diambil dari: study.com
4. Kevin Wandrei. (2018). Apa Beberapa Contoh Sehari-hari dari Hukum Pertama & Kedua Termodinamika? Hearst Seattle Media, LLC. Diambil dari: education.seattlepi.com
5. Lambert. (2006). Hukum Kedua Termodinamika. Diambil dari: entropysite.oxy.edu
6. 15 Termodinamika. . Diambil dari: wright.edu