Termodinamika Sistem Reaktif adalah studi mengenai perubahan energi dan Entropi yang terjadi ketika substansi kimia berinteraksi, serta prediksi mengenai komposisi akhir campuran pada kondisi kesetimbangan.
1. Potensial Kimia ($\mu$): Penentu Perubahan
Potensial Kimia adalah konsep sentral yang menggantikan tekanan dan suhu sebagai penentu kesetimbangan dalam sistem multi-komponen atau reaktif.
A. Definisi dan Fungsi
Potensial Kimia ($\mu_i$) adalah kecenderungan atau “kekuatan pendorong” suatu spesies kimia ($i$) untuk mengalami perubahanโbaik itu perpindahan dari satu fasa ke fasa lain (misalnya dari cair ke uap) atau berpartisipasi dalam reaksi kimia.
Secara matematis, $\mu_i$ didefinisikan sebagai perubahan pada Energi Bebas Gibbs ($G$) sistem ketika sejumlah kecil zat ($dn_i$) ditambahkan pada suhu, tekanan, dan jumlah komponen lain yang konstan:
$$\mu_{i} = \left(\frac{\partial G}{\partial n_{i}}\right)_{T, P, n_{j \ne i}}$$
B. Kriteria Kesetimbangan Universal
Pada kondisi Kesetimbangan Termodinamika, Potensial Kimia dari setiap komponen harus seragam di seluruh sistem dan harus seimbang untuk semua reaksi:
- Kesetimbangan Fasa: Jika komponen $i$ berada dalam dua fasa (misalnya, cair dan uap) yang berdampingan, maka:$$\mu_{i}^{\text{cair}} = \mu_{i}^{\text{uap}}$$Artinya: Tidak ada lagi dorongan bagi molekul untuk berpindah fasa.
- Kesetimbangan Reaksi: Jika terjadi reaksi kimia, maka total Potensial Kimia reaktan harus sama dengan total Potensial Kimia produk (dikalikan koefisien stoikiometri).
2. Energi Bebas Gibbs ($G$): Kriteria Spontanitas
Energi Bebas Gibbs ($G$) adalah properti termodinamika yang menentukan apakah suatu proses akan terjadi secara spontan pada kondisi Tekanan ($P$) dan Suhu ($T$) konstan, yang merupakan kondisi paling umum di dunia nyata.
A. Definisi
Energi Bebas Gibbs didefinisikan sebagai bagian dari energi sistem yang tersedia untuk melakukan usaha yang berguna:
$$G = H – T S$$
- $H$: Entalpi (Total energi panas).
- $T$: Suhu absolut (Kelvin).
- $S$: Entropi (Ukuran ketidakteraturan).
B. Kriteria Spontanitas Reaksi
Perubahan Energi Bebas Gibbs ($\Delta G$) sistem selama reaksi adalah kriteria yang sangat kuat untuk memprediksi arah reaksi:
| Kondisi ฮG | Sifat Proses/Reaksi | Penjelasan |
| $\Delta G < 0$ | Proses Spontan | Reaksi akan terjadi secara alami ke arah maju hingga mencapai kesetimbangan. |
| $\Delta G = 0$ | Proses Kesetimbangan | Sistem berada dalam kesetimbangan. Laju reaksi maju = laju reaksi balik. |
| $\Delta G > 0$ | Proses Non-Spontan | Reaksi tidak akan terjadi secara alami (atau berjalan ke arah sebaliknya). Memerlukan input energi/usaha. |
3. Termodinamika Reaksi Kimia
Ini berfokus pada perhitungan Entalpi dan Energi Bebas Gibbs untuk seluruh reaksi, bukan hanya satu komponen.
A. Entalpi Reaksi ($\Delta H_R$): Panas Reaksi
Perubahan Entalpi Reaksi adalah panas yang diserap atau dilepaskan ketika reaktan diubah menjadi produk pada suhu dan tekanan konstan.
$$\Delta H_{R} = \sum (\text{Koefisien} \cdot H)_{\text{produk}} – \sum (\text{Koefisien} \cdot H)_{\text{reaktan}}$$
Untuk perhitungan standar, digunakan Entalpi Pembentukan Standar ($\Delta h_f^0$), yaitu Entalpi yang terlibat ketika suatu senyawa terbentuk dari unsur-unsurnya dalam bentuk paling stabil pada kondisi standar ($25^\circ C$ dan $1 \text{ atm}$).
- Contoh (Pembakaran): Entalpi Pembakaran adalah $\Delta H_R$ ketika suatu zat bereaksi dengan oksigen. Nilai ini sangat penting untuk menilai nilai kalor (calorific value) bahan bakar.
B. Suhu Api Adiabatik (Adiabatic Flame Temperature – AFT)
AFT adalah konsep termodinamika yang menerapkan Hukum Pertama (Kekekalan Energi) pada proses pembakaran.
Definisi: AFT adalah suhu maksimum teoretis yang dapat dicapai oleh produk hasil reaksi jika proses pembakaran berlangsung secara adiabatik ($Q=0$) dan sempurna, tanpa ada kerja yang dilakukan ($W=0$).
- Prinsip: Dalam kondisi adiabatik, seluruh energi yang dilepaskan dari reaksi (Panas Reaksi) digunakan untuk memanaskan produk.$$H_{\text{reaktan}} = H_{\text{produk}} \text{ (pada } T_{\text{AFT}} \text{)}$$
- Implikasi: AFT adalah batas atas termal pada semua proses pembakaran dan sangat penting dalam perancangan turbin gas dan ruang bakar.
4. Kesetimbangan Reaksi dan Konstanta Kesetimbangan ($K_P$)
Reaksi kimia dalam sistem tertutup akan berhenti ketika mencapai kondisi kesetimbangan, yaitu saat $\Delta G = 0$.
A. Hubungan $\Delta G^0$ dan $K_P$
Pada kesetimbangan, Energi Bebas Gibbs Standar ($\Delta G^0$) dihubungkan dengan Konstanta Kesetimbangan ($K_P$) melalui persamaan fundamental:
$$\ln K_{P} = -\frac{\Delta G^{0}}{R_{u} T}$$
- $\Delta G^{0}$: Perubahan Gibbs Standar.
- $R_u$: Konstanta gas universal.
- $T$: Suhu absolut (Kelvin).
$K_P$ adalah properti yang hanya bergantung pada suhu ($T$).
Shutterstock
Jelajahi
B. Konstanta Kesetimbangan ($K_P$) dan Komposisi
Untuk reaksi umum: $aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$, Konstanta Kesetimbangan ($K_P$) didefinisikan melalui tekanan parsial ($P_i$):
$$K_{P} = \frac{(P_{C})^{c} (P_{D})^{d}}{(P_{A})^{a} (P_{B})^{b}} \cdot (P_{\text{ref}})^{a+b-c-d}$$
- $P_{\text{ref}}$: Tekanan referensi (biasanya $1 \text{ atm}$).
C. Implikasi Kuantitatif
Dengan mengetahui $K_P$ dari tabel termodinamika atau perhitungan $\Delta G^0$, kita dapat menghitung fraksi mol atau tekanan parsial dari setiap spesies pada kesetimbangan.
- Contoh Praktis: Dalam reaksi pembakaran (combustion), perhitungan $K_P$ sangat penting untuk memprediksi:
- Pembentukan Polutan: Konsentrasi polutan seperti Karbon Monoksida ($\text{CO}$) dan Nitrogen Oksida ($\text{NO}_x$) yang tersisa di gas buang, yang terjadi karena kesetimbangan termodinamika tidak mendorong reaksi berjalan 100% sempurna hingga produk akhir yang paling stabil ($\text{CO}_2$ dan $\text{N}_2$).
- Kinerja Sel Bahan Bakar: Menghitung Potensial Kimia dari reaktan dan produk untuk menentukan tegangan sirkuit terbuka dan efisiensi teoritis maksimum.
Leave a Reply