Ujian Tengah Semester II

Kerjakan pada laman yang tersedia

Tugas 18

Pertimbangkan pengaturan pada Gambar 18.1. Karena volume kedua bohlam itu sama, probabilitas untuk menemukan molekul di bohlam manapun adalah 1 2. Hitung probabilitas semua molekul berakhir di bohlam yang sama jika jumlahnya adalah (a) 2, (b) 100, dan (c) 6 3 1023. Berdasarkan hasil Anda, jelaskan mengapa situasi yang ditunjukkan pada Gambar 18.1 (b) tidak akan diobservasi untuk sistem makroskopik.

Latihan 18

18.1 Jelaskan apa yang dimaksud dengan proses spontan. Berikan dua contoh masing-masing proses spontan dan non-spontan.

Kata Kunci

Entropy (S), hlm. 803
Energi bebas (G), hlm. 815
Energi bebas Gibbs

Ringkasan Pengetahuan Faktual dan Konseptual

1. Entropi dideskripsikan sebagai ukuran berbagai cara sistem dapat menyebarkan energinya. Setiap proses spontan harus mengarah pada peningkatan total entropi di alam semesta (hukum kedua termodinamika).

Rumus Penting

S = k ln W (18.1) Berkaitan entropi dengan jumlah keadaan mikro

Termodinamika Karet gelang

Kita semua tahu betapa bergunanya karet gelang. Tetapi tidak semua orang menyadari bahwa karet gelang memiliki sifat termodinamika yang sangat menarik berdasarkan strukturnya.

Efisiensi Mesin Panas

Mesin adalah mesin yang mengubah energi menjadi bekerja; mesin panas adalah mesin yang mengubah energi panas menjadi bekerja. Mesin panas memainkan peran penting dalam masyarakat teknologi kita; mulai dari mesin mobil hingga turbin uap raksasa yang menjalankan generator untuk menghasilkan listrik. Terlepas dari jenis mesin panas, tingkat efisiensinya sangat penting; yaitu, untuk jumlah input panas tertentu, berapa banyak pekerjaan yang berguna yang bisa kita dapatkan dari mesin? Hukum kedua termodinamika membantu kita menjawab pertanyaan ini.

18.7 Termodinamika dalam Sistem Kehidupan

Banyak reaksi biokimiawi memiliki nilai DG ° positif, namun sangat penting untuk pemeliharaan kehidupan. Dalam sistem kehidupan, reaksi-reaksi ini digabungkan dengan proses yang menguntungkan secara energetik, yang memiliki nilai DGo negatif. Prinsip reaksi berganda didasarkan pada konsep sederhana: Kita dapat menggunakan reaksi yang menguntungkan secara termodinamika untuk menggerakkan reaksi yang tidak menguntungkan. Pertimbangkan proses industri. Misalkan kita ingin mengekstrak seng dari bijih sfalerit (ZnS). Reaksi berikut tidak akan berfungsi karena memiliki nilai DG ° positif yang besar:

18.6 Energi Bebas dan Keseimbangan Kimia

Seperti disebutkan sebelumnya, selama berlangsungnya reaksi kimia tidak semua reaktan dan produk akan berada pada kondisi standarnya. Dalam kondisi ini, hubungan antara DG dan DG °, yang dapat diturunkan dari termodinamika, adalah
  ¢ G 5 ¢ G ° 1 RT pada Q

18.5 Energi Bebas Gibbs

Hukum kedua termodinamika memberi tahu kita bahwa reaksi spontan meningkatkan entropi alam semesta; yaitu, DSuniv. 0. Untuk menentukan tanda DSuniv untuk suatu reaksi, kita perlu menghitung DSsys dan DSsurr. Secara umum, kita biasanya hanya peduli dengan apa yang terjadi dalam sistem tertentu. Oleh karena itu, kita memerlukan fungsi termodinamika lain untuk membantu kita menentukan apakah suatu reaksi akan terjadi secara spontan jika kita hanya mempertimbangkan sistem itu sendiri.

18.4 Hukum Termodinamika Kedua

Hubungan antara entropi dan spontanitas suatu reaksi diungkapkan oleh hukum kedua termodinamika: Entropi alam semesta meningkat dalam proses spontan dan tetap tidak berubah dalam proses keseimbangan. Karena alam semesta terdiri dari sistem dan lingkungan, perubahan entropi di alam semesta (DSuniv) untuk setiap proses adalah jumlah dari perubahan entropi dalam sistem (DSsys) dan di sekitarnya (DSsurr). Secara matematis, kita dapat menyatakan hukum kedua termodinamika sebagai berikut:
Untuk proses spontan: ¢ Suniv 5 ¢ Ssys 1 ¢ Ssurr. 0 (18,4)
Untuk proses keseimbangan: ¢ Suniv 5 ¢ Ssys 1 ¢ Ssurr 5 0 (18.5)

18.3 Entropi

Untuk memprediksi spontanitas suatu proses, kita perlu memperkenalkan kuantitas termodinamika baru yang disebut entropi. Entropy (S) sering digambarkan sebagai ukuran bagaimana menyebar atau menyebar energi suatu sistem adalah di antara berbagai cara yang mungkin bahwa sistem dapat mengandung energi. Semakin besar dispersal, semakin besar pula entropinya. Sebagian besar proses disertai dengan perubahan entropi. Secangkir air panas memiliki jumlah tertentu dari entropi karena penyebaran energi di antara berbagai keadaan energi dari molekul air (misalnya, keadaan energi yang terkait dengan gerakan translasi, rotasi, dan getaran dari molekul air). Jika dibiarkan berdiri di atas meja, air kehilangan panas ke lingkungan yang lebih dingin. Akibatnya, ada

18.2 Proses Spontan

Salah satu tujuan utama dalam mempelajari termodinamika, sejauh menyangkut ahli kimia, adalah untuk dapat memprediksi apakah suatu reaksi akan terjadi ketika reaktan disatukan di bawah serangkaian kondisi tertentu (misalnya, pada suhu tertentu, tekanan, dan konsentrasi). Pengetahuan ini penting apakah seseorang mensintesis senyawa di laboratorium penelitian, memproduksi bahan kimia pada skala industri, atau mencoba memahami proses biologis yang rumit dalam sel. Reaksi yang terjadi di bawah kondisi tertentu disebut reaksi spontan. Jika suatu reaksi tidak terjadi dalam kondisi yang ditentukan, itu dikatakan tidak spontan. Kami mengamati proses fisik dan kimia spontan setiap hari, termasuk banyak contoh berikut:

18.1 Hukum Termodinamika Ketiga

Dalam Bab 6 kami menemukan pertama tiga hukum termodinamika, yang mengatakan bahwa energi dapat dikonversi dari satu bentuk ke bentuk lain, tetapi tidak dapat dibuat atau dihancurkan. Salah satu ukuran dari perubahan ini adalah jumlah panas yang dilepaskan atau diserap oleh sistem selama proses tekanan konstan, yang didefinisikan oleh para ahli kimia sebagai perubahan entalpi (DH).
Hukum kedua termodinamika menjelaskan mengapa proses kimia cenderung mendukung satu arah. Hukum ketiga adalah perpanjangan dari hukum kedua dan akan diperiksa secara singkat dalam Bagian 18.4.

18. Entropi, Energi Bebas dan Kesetimbangan

Konsep Penting
• Bab ini dimulai dengan diskusi tentang tiga hukum termodinamika dan sifat proses spontan. (18.1 dan 18.2)
• Kita kemudian melihat bahwa entropi adalah fungsi termodinamika untuk memprediksi spontanitas suatu reaksi. Pada tingkat molekuler, entropi sistem pada prinsipnya dapat dihitung dari jumlah kondisi mikro yang terkait dengan sistem. Kita belajar bahwa dalam praktiknya entropi ditentukan oleh metode kalorimetri dan nilai-nilai entropi standar dikenal untuk banyak zat. (18.3)
• Hukum termodinamika kedua menyatakan bahwa entropi alam semesta meningkat dalam proses spontan dan tetap tidak berubah dalam proses keseimbangan. Kita belajar cara menghitung perubahan entropi dari suatu sistem dan lingkungan, yang bersama-sama menebus perubahan entropi alam semesta. Kita juga membahas hukum termodinamika ketiga, yang memungkinkan kita menentukan nilai absolut dari entropi suatu zat. (18.4)
• Kita melihat bahwa fungsi termodinamika baru yang disebut energi bebas Gibbs diperlukan untuk fokus pada sistem. Perubahan energi bebas Gibbs dapat digunakan untuk memprediksi spontanitas dan keseimbangan. Untuk perubahan yang dilakukan dalam kondisi keadaan standar, perubahan energi bebas Gibbs terkait dengan konstanta kesetimbangan dari suatu reaksi. (18.5 dan 18.6)
• Bab ini diakhiri dengan diskusi tentang bagaimana termodinamika diterapkan pada sistem kehidupan. Kita melihat bahwa prinsip reaksi berganda memainkan peran penting dalam banyak proses biologis. (18.7)