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)

Tugas 17

17.6 Hitung tekanan parsial CO2 (dalam atm) di udara kering ketika tekanan atmosfer adalah 754 mmHg.

Latihan 17

17.1 Jelaskan wilayah atmosfer Bumi.
17.2 Menjelaskan secara singkat proses utama siklus nitrogen dan oksigen.

Kata Kunci

Efek rumah kaca, hal. 781
Ionosfer, hal. 773
Mesosphere, hal. 773
Pembentukan nitrogen, hal. 771
Photochemical smog, hal. 789
Stratosphere, hal. 773
Termosfer, hal. 773
Troposfer, hal. 771

Ringkasan Pengetahuan Faktual dan Konseptual

1. Atmosfer bumi terutama terdiri dari nitrogen dan oksigen, ditambah sejumlah gas lainnya. Proses kimia yang berlangsung di atmosfer dipengaruhi oleh radiasi matahari, letusan gunung berapi, dan aktivitas manusia.

17.8 Polusi Dalam Ruangan

Sulit untuk menghindari polusi udara di luar ruangan, tidak mudah untuk menghindari polusi dalam ruangan. Kualitas udara di rumah dan di tempat kerja dipengaruhi oleh aktivitas manusia, oleh bahan bangunan, dan oleh faktor-faktor lain di lingkungan terdekat kita. Polutan dalam ruangan yang umum adalah radon, karbon monoksida dan karbon dioksida, dan formaldehida.

17.7 Kabut Asap Fotokimia

Kata "smog" diciptakan untuk menggambarkan kombinasi asap dan kabut yang menyelimuti London selama tahun 1950-an. Penyebab utama dari awan berbahaya ini adalah sulfur dioksida. Namun hari ini, kita lebih akrab dengan kabut fotokimia, yang dibentuk oleh reaksi knalpot mobil di hadapan sinar matahari.

17.6 Hujan Asam

Setiap tahun hujan asam menyebabkan kerusakan senilai ratusan juta dolar pada bangunan dan patung batu di seluruh dunia. Istilah "batu lepra" digunakan oleh beberapa ahli kimia lingkungan untuk menggambarkan korosi batu oleh hujan asam (Gambar 17.20). Hujan asam juga beracun bagi tumbuh-tumbuhan dan kehidupan air. Banyak kasus yang terdokumentasi dengan baik menunjukkan secara dramatis bagaimana hujan asam telah menghancurkan lahan pertanian dan hutan dan membunuh organisme air (lihat Gambar 15.10).

17.5 Efek Rumah Kaca

Meskipun karbon dioksida hanya merupakan gas jejak di atmosfer Bumi, dengan konsentrasi sekitar 0,033 persen volume (lihat Tabel 17.1), karbon dioksida memainkan peran penting dalam mengendalikan iklim kita. Apa yang disebut efek rumah kaca menggambarkan terperangkapnya panas di dekat permukaan bumi oleh gas-gas di atmosfer, khususnya karbon dioksida. Atap kaca rumah kaca mentransmisikan sinar matahari yang terlihat dan menyerap beberapa radiasi infra merah (IR), sehingga memerangkap panas. Karbon dioksida bertindak agak seperti atap kaca, kecuali bahwa kenaikan suhu di rumah kaca terutama disebabkan oleh sirkulasi udara yang terbatas di dalamnya. Perhitungan menunjukkan bahwa jika atmosfer tidak mengandung karbon dioksida, Bumi akan menjadi 30 ° C lebih dingin!

17.4 Gunung Berapi

Letusan gunung berapi, tampilan energi bumi paling spektakuler di Bumi, sangat berperan dalam membentuk sebagian besar kerak bumi. Mantel atas, tepat di bawah kerak, hampir meleleh. Sedikit peningkatan panas, seperti yang dihasilkan oleh pergerakan satu lempeng kerak di bawah yang lain, melelehkan batu. Batuan cair, yang disebut magma, naik ke permukaan dan menghasilkan beberapa jenis letusan gunung berapi (Gambar 17.10).