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.

MACAM-MACAM SISTEM

Macam-macam sistem

Untuk menganalisis termodinamika, terlebih dahulu dimuat dengan pemilihan system seperti pada gambar dibawah.

Gambar sistem dan lingkungan

Gambar  tersebut menunjukkan system, permukaan batas, dan lingkungannya. Apabila system telah dipilih, langkah berikutnya dalah memberikannya dalam besaran yang berkaitan dengan sifat system atau interaksinya dengan lingkungan atau keduanya. Berdasarkan interaksi dengan lingkungannya, sistem dibedakan menjadi tiga macam, yaitu

a.    System terbuka

b.    System tertutup

c.    System terisolasi

1.    System terbuka

Permukaan batas dari dua sistem termodinamis yang berbeda

Gambar diatas menunjukkan aliran massa zat alir (fluid) melalui sebuah pipa atau saluran . dalam kasus seperti kita dapat menetapkan suatu ruang (daerah) tertentu didalam pipa dimana aliran massa ini mengalir sebagai sistem. Daerah yang ditetapkan ini disebut volume atur. Permukaan batas volum atur disebut permukaan atur yang pada gambar diatas ditunjukkan sebagai garis putus-putus. Permukaan dalam pipa dapat diambil sebagai bagian dari permukaan batas sistem yang nyata. Namun kenyataannya ada permukaan batas yang imajiner karena tidak ada permukaan nyata yang menandai posisi dari ujung ujung yang terbuka, sehingga massa dapat mengalir melalui batas sistem volume atur. Sistem seperti ini disebut sistem terbuka karena terdapat pertukaaran massa dan energi antara sistem dengan lingkungan melalui permukaan batas.

Dalam kehidupan nyata / sehari- hari sistem ini banyak sekali dijumpai, misalnya kita meletakkan kapur barus (naftalena) di antara buku atau baju- baju, kapur barus akan menguap, jadi ada materi yang dipertukarkan yaitu antara uap naftalena dan udara. Atau botol yang berisi cuka atau alkohol. Di laboratorium semua reaksi kimia yang dilakukan umumnya dilakukan dengan sistem terbuka.

  

2.    Sistem tertutup

Permukaan batas dari dua sistem termodinamis yang berbeda

Gambar diatas memperlihatkan silinder yang dilengkapi dengan piston berisi zat alir. Zat alir dalam silinder dipilih sebagai sistem. Permukaan dalam silinder dan piston diammbil sebagai permukaan batas sistem yang ditandai dengan garis putus-putus. Dalam contoh ini bentuk dan volume sistem dapat diubah dengan menaikkan atau menurunkan piston. Perubahan bentuk dan volum permukaan batas selalu diperbolehkan sepanjang perubahan ini dikenali dalam perhitungan selanjutnya.

Pada sistem ini tidak terdapat pertukaran massa dengan lingkungan. Sistem seperti ini disebut sistem tertutup. Meskipun sejumlah materi ditetapkan dalam sistem tertutup, energi masih dapat mengalir melewati permukaan batas sistem. Oleh karena itu, sistem dikatakan tertutup apabila tidak terdapat pertukaran massa tetapi dapat terjadi pertukaran energi melalui permukaan batas dengan lingkungan. Sistem tertutup juga disebut massa atur.

Dalam bahasa sehari- hari dapat dikatakan sistem berada dalam suatu tempat yang ditutup rapat, tetapi kita masih dapat mengamati perubahan suhu dari dinding sistem. Contoh botol- botol zat kimia yang masih disegel, susu kaleng, makanan kaleng.

3.    Sistem terisolasi

Sistem terisolasi merupakan jenis khusus dari sistem tertutup. Sistem terisolasi adalah sistem yang tidak dapat melakukan pertukaran massa dan energi melewati permukaan batas. Permukaan batas semacam ini disebut dinding adiabatik. Lapisan kayu yang tebal, beton, asbes, kain beludru, karet busa dan lain sebgainya merupakan hampiran percobaan yang baik percobaan  untuk didnding adiabatik.

Contoh sistem terisolasi dalam kehidupan sehari- hari adalah termos. Di laboratorium ada yang dikenal sebagai termostat, kalorimeter, maupun instrumen untuk reaksi- reaksi in-situ menggunakan sistem terisolasi.

SISTEM TERMODINAMIKA

Sistem Termodinamika

 

Dalam termodinamika dikenal beberapa istilah, yaitu sistem dan lingkungan. Segala sesuatu yang kita pelajari atau kita amati kita sebut dengan sistem, sedangkan semua yang berada di luar sistem kita sebut dengan lingkungan. Antara sistem dan lingkungan dapat terjadi pertukaran energi maupun pertukaran materi.

Sistem dalam termodinamika adalah suatu daerah dalam ruang atau sejumlah benda yang dibatasi oleh permukaan tertutup.  Permukaan tertutup yang membungkus system itu dapat berupa permukaan khayal, hanya dibayangkan saja atau permukaan yang benar-benar nyata. Misalnya udara yang ditekan dengan piston dalam silinder adalah sitem. Ruang yang dibatasi oleh dinding  silinder dan permukaan piston adalah permukaan tertutup yang nyata. Udara yang berada dalam silinder adalah permukaan tertutup yang nyata. Udara didalam silinder yang menjadi sitem termodinamika juga disebut benda kerja. Segala sesuatu diluar system yang dapat melakukan pertukaan energy dan mempunyai pengaruh langsung dengan sitem disebut lingkungan (surrounding).

Segumpalan se terapung diatas air, gumpalan es adalah permukaan tertutup khyal, air dan udara sekitarnya disebut lingkungan. Es dari – 15⁰ C dicampur dengan air dari 15⁰ C didalam gelas sampai suatu saat suhunya menjadi sama. Campuran es dan air adalah system dan permukaan tertutup adalah permukaan yang dibatasi oleh dinding gelas dan sebagian air merupakan permukaan tertutup nyata.

Sistem termodinmaika selamnya terisri dari benda seperti uadara , es dan air seperti contoh siatas tetapi juga dapat berupa medan listrik, medan magnet dan sebagainnya.

Suatu system yang dapat melakukan pertukaran benda dan energi dengan linkungan disebut system terbuka, misalnya kompresor udara, pompa. Suatu sitem yang hanya dapat melakukan pertukaran energy dengan lingkungannya disebut sitem tertutup. Gas atas udara di dalam silinder ditutup dengan piston yang dapat bergerak merupakan system tertutup karena udara didalam silindr tidak dapaot bergerak keluar dan udara luar tidak dapat masuk.

Sistem yang tidak dapat merupakan pertukaran energy dengan lingkungan sisebut siestem terisolasi. Hal ini dapat mengembang dan tidak dapat mengembang dan tidak ditekan serta diberi pembungkus isolasi yang mencegah pertukaran energy kalor dengan lingkunganya.

Persamaan Clausius Clayperon

Persamaan Clausius Clapeyron yang menyatakan kemiringan garis kesetimbangan dalam diagram p-T. Jadi hfg dapat ditentukan dari kemiringan kurva tekanan uap dan volume jenis cairan jenuh dan uap jenuh pada suhu yang ditentukan. Terdapat beberapa perubahan fase berbeda yang dapat terjadi pada suhu dan tekanan konstan. Jika dua fase ditandai dengan superskip ‘ dan “, kita dapat menuliskan persamaan Calusius Clapeyron dalam bentuk umum

 Jadi untuk perubahan keadaan zat murni dari keadaan padatan jenuh ke keadaan cairan jenuh yang berlangsung pada suhu konstan, dapat dituliskan