Termodinamika Kimia

Termodinamika berfokus pada hubungan kuantitatif antara panas (energi termal) dan bentuk energi lainnya, serta arah proses spontan.

2.1. Konsep Dasar Termodinamika

Konsep	Penjelasan
Sistem	Bagian alam semesta yang menjadi fokus studi kita (misalnya, wadah reaksi).
Lingkungan	Segala sesuatu di luar sistem yang dapat berinteraksi dengannya.
Batas	Pemisah antara sistem dan lingkungan.
Variabel Keadaan	Sifat sistem yang hanya bergantung pada keadaan awal dan akhir, bukan pada jalur proses (misalnya, $P, V, T, U$).

Sistem diklasifikasikan berdasarkan pertukaran materi dan energi dengan lingkungan:

Terbuka: Pertukaran materi dan energi.
Tertutup: Pertukaran energi, tetapi tidak ada pertukaran materi.
Terisolasi: Tidak ada pertukaran materi maupun energi.

2.2. Hukum Termodinamika I: Kekekalan Energi

Hukum Pertama Termodinamika adalah prinsip kekekalan energi dalam konteks termodinamika.

Energi Dalam ($\mathbf{U}$): Total energi kinetik dan potensial semua partikel dalam sistem.
Perubahan Energi Dalam ($\mathbf{\Delta U}$): Perubahan energi dalam sistem terjadi melalui transfer panas ($q$) dan kerja ($w$).

$$\mathbf{\Delta U = q + w}$$

$q$: Panas yang diserap sistem ($\mathbf{+q}$) atau dilepaskan sistem ($\mathbf{-q}$).
$w$: Kerja yang dilakukan pada sistem ($\mathbf{+w}$) atau kerja yang dilakukan oleh sistem ($\mathbf{-w}$).

Entalpi ($\mathbf{H}$): Energi pada Tekanan Konstan

Sebagian besar reaksi kimia terjadi pada tekanan atmosfer konstan. Untuk menyederhanakan perhitungan $\Delta U$ dalam kondisi ini, diperkenalkan fungsi keadaan baru: Entalpi.

$$\mathbf{H = U + PV}$$

Pada tekanan konstan, perubahan entalpi ($\mathbf{\Delta H}$) setara dengan panas yang dipertukarkan ($\mathbf{q_P}$):

$$\mathbf{\Delta H = q_P}$$

Reaksi Eksotermik: Melepaskan panas, $\mathbf{\Delta H < 0}$ (negatif).
Reaksi Endotermik: Menyerap panas, $\mathbf{\Delta H > 0}$ (positif).

2.3. Hukum Termodinamika II: Kespontanan dan Entropi

Hukum Kedua Termodinamika menentukan arah proses spontan dan memperkenalkan konsep Entropi ($\mathbf{S}$).

Entropi ($\mathbf{S}$): Ukuran ketidakteraturan sistem, atau lebih tepatnya, ukuran penyebaran energi atau jumlah cara berbeda energi dapat didistribusikan di antara partikel (mikrostate).
Perubahan Entropi Semesta: Semua proses spontan selalu disertai dengan peningkatan total entropi alam semesta.

$$\mathbf{\Delta S_{\text{semesta}} = \Delta S_{\text{sistem}} + \Delta S_{\text{lingkungan}}}$$

Untuk proses spontan: $\mathbf{\Delta S_{\text{semesta}} > 0}$
Untuk proses setimbang: $\mathbf{\Delta S_{\text{semesta}} = 0}$

2.4. Energi Bebas Gibbs ($\mathbf{G}$): Kriteria Kespontanan

Untuk memprediksi kespontanan suatu reaksi hanya berdasarkan sifat sistem (tanpa menghitung lingkungan), digunakan Energi Bebas Gibbs.

$$\mathbf{G = H – TS}$$

Perubahan Energi Bebas Gibbs ($\mathbf{\Delta G}$) memberikan kriteria kespontanan yang paling praktis pada suhu dan tekanan konstan:

$$\mathbf{\Delta G = \Delta H – T\Delta S}$$

ΔG	Kespontanan
$\mathbf{\Delta G < 0}$	Proses Spontan (ke arah maju)
$\mathbf{\Delta G = 0}$	Sistem berada pada Kesetimbangan
$\mathbf{\Delta G > 0}$	Proses Non-spontan (tetapi spontan ke arah sebaliknya)

2.5. Hukum Termodinamika III: Entropi Absolut

Hukum Ketiga Termodinamika memberikan titik acuan nol untuk pengukuran entropi:

Entropi dari suatu zat kristal sempurna adalah nol pada nol mutlak (suhu $0$ Kelvin).

Hukum ini memungkinkan kita menghitung nilai entropi absolut ($\mathbf{S}$) suatu zat, yang kemudian digunakan untuk menghitung $\Delta S$ suatu reaksi.