Keadaan Kesetimbangan Sistem dan Persamaan Keadaannya

Suatu sistem dapat berada dalam keadaan setimbang atau tidak setimbang. Ada empat keadaan setimbang suatu sistem. Keempat keadaan setimbang tersebut adalah:

1.  keadaan setimbang mekanis

2.  keadaan setimbang kimiawi (chemis / kemis)

3.  keadaan setimbang termal / termis

4.  keadaan setimbang termodinamis.

1. Keadaan Setimbang Mekanis

Suatu sistem dinyatakan berada dalam keadaan setimbang mekanis jika resultan gaya luar maupun resultan gaya dalamnya (gaya dachil) adalah nol. Ini berarti :

Dalam keadaan setimbang mekanis, suatu sistem dapat diam atau bergerak beraturan. Dalam arti bergerak lurus beraturan atau bergerak melingkar beraturan atau berotasi beraturan.

2. Keadaan Setimbang Kemis/ Kimiawi

Apabila suatu system :

a.  tidak mengalami perpindahan zat dari bagian satu ke bagian lainnya atau sistem tidak mengalami difusi

b.  tidak terjadi reaksi kimiawi yang dapat mengubah jumlah partikel semula

c.   tidak terjadi pelarutan

d.  tidak terjadi kondensasi serta

e.  komposisi dan konsentrasinya tetap,

maka sistem itu berada dalam keadaan setimbang kemis (kimiawi). Ini berarti system dinyatakan setimbang kemis (kimiawi), jika sistem tidak berubah dan tetap berada dalam keadaan semula.

3. Keadaan Setimbang Termis

Apabila suatu sistem

a.  koordinat makro  maupun mikronya tidak berubah walaupun kontak termal dengan lingkungannya melalui dinding diatermik

b.  harga koordinat makro maupun mikronya tidak berubah dengan perubahan waktu,

maka sistem berada dalam keadaan setimbang termis dengan lingkungannya. Oleh karena itu, suatu sistem disebut setimbang termis, jika harga koordinatnya tidak berubah dengan perubahan waktu.

4. Keadaan Setimbang Termodinamis

Apabila syarat-syarat kesetimbangan mekanis, kemis, dan termis terpenuhi, maka sistem berada dalam keadaan setimbang termodinamis. Dalam keadaan setimbang termodinamis, keadaan koordinat sistem maupun lingkungan sistem cenderung tidak berubah sepanjang masa. Jadi, pada dasarnya Termodinamika hanya mempelajari suatu sistem yang berada dalam kesetimbangan termodinamis.

Keadaan sistem yang setimbang termodinamis minimal ada dua, yaitu: sistem yang tertutup dan sistem yang terbuka. Suatu sistem dinyatakan tertutup, jika massa dan jumlah partikel sistem tetap. Ini berati, jumlah mol sistem yang tertutup selalu tetap.Sebaliknya, sistem dinyatakan terbuka, jika massa dan jumlah partikel sistem berubah-ubah harganya. Ini berarti, jumlah mol sistem yang terbuka selalu berubah-ubah.

Dalam keadaan setimbang termodinamis, ternyata

a.  setiap sistem tertutup dapat digambarkan  oleh tiga koordinat sistem dari delapan koordinat yang dipunyainya

b.  semua eksperimen menunjukkan bahwa antara ketiga koordinat itu terdapat hubungan berikut.

F (x,y,z) = 0

Ini berarti, dalam keadaan setimbang termodinamis, hanya dua diantara ketiga koordinat sistem yang merupakan variabel (ubahan) bebas. Pernyataan ini dapat dituliskan seperti persamaan 3.3.a, 3.3.b, dan 3.3.c. berikut.

X = f ( y, z)

Y = f ( x, z)

z = f ( x, y)

Gas berada dalam silinder dengan koordinat sistem, G (energi bebas Gibbs dari gasa), p (tekanan gas), H (entalpi gas), S (entropi gas), U (energi dalam gas), V (volume gas), F (energi  bebas Helmholtz), dan T (temperatur gas). Perhatikan tiga koordinatnya, misalnya: p, V, dan T. Andaikan V dan Tditentukan terlebih dulu secara bebas, misalnya: gas dimasukkan dalam silinder dengan volume V dan dipanasi sampai temperaturnya mencapai harga T, maka tekanan gas telah memiliki harga tertentu dan tidak dapat ditentukan secara bebas. Ini berarti:

P = f (v, T)

Andaikan p dan T ditentukan terlebih dulu secara bebas, misalnya: gas dimasukkan dalam silinder dengan tekanan p dan dipanasi sampai temperaturnya mencapai harga T, maka volume gas telah memiliki harga tertentu dan tidak dapat ditentukan secara bebas. Ini berarti:

V = f (p, T)

Andaikan p dan V ditentukan terlebih dulu secara bebas, misalnya: gas dimasukkan dalam silinder dengan tekanan p dan ditekan sampai volumenya mencapai harga V, maka temperatur gas telah memiliki harga tertentu dan tidak dapat ditentukan secara bebas. Ini berarti:

Dengan demikian, secara umum berlaku persamaan:

F (p, V, T) = 0

Dari persamaan diatas merupakan persamaan keadaan gas atau persamaan keadaan sistem yang berada dalam keadaan setimbang termodinamis.