Termodinamika kimia

Dalam termodinamika, termodinamika kimia adalah kajian matematika tentang keterkaitan antara kalor dan kerja dengan reaksi kimia atau dengan perubahan keadaan fisik dalam batas-batas hukum-hukum termodinamika. Termodinamika kimia dapat dipahami sebagai terapan metode matematika untuk mengkaji permasalahan kimia dan khususnya memiliki perhatian pada kespontanan proses.

Struktur termodinamika kimia didasarkan pada dua hukum pertama termodinamika. Mulai dari hukum termodinamika pertama dan kedua, empat persamaan yang disebut "persamaan dasar Gibbs" dapat diturunkan. Dari keempat persamaan tersebut, banyak persamaan yang menghubungkan sifat-sifat termodinamika dari sistem termodinamika dapat diturunkan dengan menggunakan matematika yang relatif sederhana. Ini menguraikan kerangka matematika termodinamika kimia.^[1]

Sejarah

J. Willard Gibbs - bapak termodinamika kimia

Pada tahun 1865, fisikawan Jerman Rudolf Clausius, dalam Teori Mekanik Panasnya, mengemukakan bahwa prinsip-prinsip termokimia, seperti panas yang dihasilkan dalam reaksi pembakaran, dapat diterapkan pada prinsip-prinsip termodinamika.^[2] Berdasarkan karya Clausius, antara tahun 1873-76 fisikawan matematika Amerika Willard Gibbs menerbitkan tiga makalah, yang paling terkenal adalah makalah On the Equilibrium of Heterogeneous Substances. Dalam makalah ini, Gibbs menunjukkan bagaimana dua hukum termodinamika pertama dapat diukur secara grafis dan matematis untuk menentukan kesetimbangan termodinamika dari reaksi kimia serta kecenderungannya untuk terjadi atau berlanjut. Kumpulan makalah Gibbs menyediakan kumpulan teorema termodinamika pertama dari prinsip-prinsip yang dikembangkan oleh orang lain, seperti Clausius dan Sadi Carnot.

Selama awal abad ke-20, dua publikasi besar berhasil menerapkan prinsip-prinsip yang dikembangkan oleh Gibbs untuk proses kimia dan dengan demikian mendirikan dasar ilmu termodinamika kimia. Yang pertama adalah buku teks Termodinamika dan Energi Bebas Zat Kimia tahun 1923 oleh Gilbert N. Lewis dan Merle Randall. Buku ini bertanggung jawab untuk menggantikan afinitas kimia dengan istilah energi bebas di dunia berbahasa Inggris. Yang kedua adalah buku Modern Thermodynamics by the methods of Willard Gibbs tahun 1933 yang ditulis oleh E. A. Guggenheim. Dengan cara ini, Lewis, Randall, dan Guggenheim dianggap sebagai penemu termodinamika kimia modern karena kontribusi besar dari kedua buku ini dalam menyatukan penerapan termodinamika pada kimia.^[1]

Gambaran Umum

Tujuan utama dari termodinamika kimia adalah pembentukan kriteria untuk penentuan kelayakan atau spontanitas dari transformasi yang diberikan.^[3] Dengan cara ini, termodinamika kimia biasanya digunakan untuk memprediksi pertukaran energi yang terjadi dalam proses berikut:

1. Reaksi kimia
2. Perubahan fase
3. Pembentukan larutan.

Fungsi keadaan berikut menjadi perhatian utama dalam termodinamika kimia:

• Energi dalam (U)
• Entalpi (H)
• Entropi (S)
• Energi bebas Gibbs (G)

Sebagian besar identitas dalam termodinamika kimia muncul dari penerapan hukum termodinamika pertama dan kedua, khususnya hukum kekekalan energi, pada fungsi keadaan ini. Tiga hukum termodinamika (bentuk global, tidak spesifik): 1. Energi alam semesta adalah konstan. 2. Dalam setiap proses spontan, selalu ada peningkatan entropi alam semesta. 3. Entropi kristal sempurna (teratur dengan baik) pada 0 Kelvin adalah nol.

Reaksi kimia

Dalam sebagian besar kasus yang menarik dalam termodinamika kimia terdapat derajat kebebasan internal dan proses, seperti reaksi kimia dan transisi fasa, yang menciptakan entropi di alam semesta kecuali mereka berada pada kesetimbangan atau dipertahankan pada "kesetimbangan berjalan" melalui "kuasi-statis" berubah dengan digabungkan ke perangkat pembatas, seperti piston atau elektroda, untuk mengirim dan menerima kerja eksternal. Bahkan untuk sistem "bulk" yang homogen, fungsi energi bebas bergantung pada komposisinya, seperti halnya semua potensial termodinamika ekstensif, termasuk energi dalam. Jika besaran { Ni }, jumlah spesies kimia, dihilangkan dari rumus, tidak mungkin menjelaskan perubahan komposisi.

Referensi

1. Ott, Bevan J.; Boerio-Goates, Juliana (2000). Chemical Thermodynamics – Principles and Applications. Academic Press. ISBN 0-12-530990-2.
2. Clausius, R. (1865). The Mechanical Theory of Heat – with its Applications to the Steam Engine and to Physical Properties of Bodies. London: John van Voorst, 1 Paternoster Row. MDCCCLXVII.
3. Klotz, I. (1950). Chemical Thermodynamics. New York: Prentice-Hall, Inc.

Bacaan lanjut

• Herbert B. Callen (1960). Thermodynamics. Wiley & Sons. The clearest account of the logical foundations of the subject. ISBN 0-471-13035-4. Library of Congress Catalog No. 60-5597
• Ilya Prigogine & R. Defay, translated by D.H. Everett; Chapter IV (1954). Chemical Thermodynamics. Longmans, Green & Co. Exceptionally clear on the logical foundations as applied to chemistry; includes non-equilibrium thermodynamics.Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
• Ilya Prigogine (1967). Thermodynamics of Irreversible Processes, 3rd ed. Interscience: John Wiley & Sons. A simple, concise monograph explaining all the basic ideas. Library of Congress Catalog No. 67-29540
• E.A. Guggenheim (1967). Thermodynamics: An Advanced Treatment for Chemists and Physicists, 5th ed. North Holland; John Wiley & Sons (Interscience). A remarkably astute treatise. Library of Congress Catalog No. 67-20003
• Th. De Donder (1922). "L'affinite. Applications aux gaz parfaits". Bulletin de la Classe des Sciences, Académie Royale de Belgique. Series 5. 8: 197–205.
• Th. De Donder (1922). "Sur le theoreme de Nernst". Bulletin de la Classe des Sciences, Académie Royale de Belgique. Series 5. 8: 205–210.

Pranala luar

• Chemical Thermodynamics - University of North Carolina
• Chemical energetics (Introduction to thermodynamics and the First Law)
• Thermodynamics of chemical equilibrium (Entropy, Second Law and free energy)