Tugas Termodinamika Statistik

Nama : Aisyah Nur Haliza Soleha NPM : 140210210067

Kelas : C

Tugas : Termodinamika Statistik Dosen : Pak Allyn

1. Apa perbedaan reversible dan irreversible process dalam termodinamika? Berikan contohnya!

- Proses reversibel adalah proses di mana sistem dan lingkungannya dapat kembali ke kondisi yang sama seperti sebelumnya dengan mengikuti jalur sebaliknya. Proses irreversibel adalah proses di mana sistem dan lingkungannya tidak dapat kembali ke kondisi semula. Berdasarkan hukum 2 termodinamika, kedua proses tersebut dapat dikaitkan dengan nilai entropi mengikuti persamaan berikut:

Reversible: 𝑑𝑆 = 0 +^{𝛿𝑞𝑟𝑒𝑣}

𝑇 = ^{𝛿𝑞𝑟𝑒𝑣}

𝑇

Irreversible: 𝑑𝑆 = 𝑑𝑆𝑝𝑟𝑜𝑑 +^{𝛿𝑞𝑖𝑟𝑟}

𝑇 >^{𝛿𝑞𝑖𝑟𝑟}

𝑇

- Proses reversible terjadi secara sedikit demi sedikit. Contohnya pada ekspansi gas secara isothermal, dimana reaksi ini hanya melibatkan perubahan volume dan tekanan.

- Proses irreversible terjadi secara spontan dan satu arah serta mengalami perubahan yang tidak terbatas. Contohnya adalah melepaskan gas pada sistem hampa udara, maka gas tersebut akan mengalami perubahan tekanan, volume, suhu, bahkan entropi yang tinggi.

2. Apa perbedaan enthalphy (∆𝐻) dan internal energy (∆𝑈)? Kapan (∆𝐻) dan (∆𝑈) bernilai sama?

- Entalpi (∆𝐻) merupakan sifat ekstensif zat yang dapat digunakan untuk menentukan perubahan kalor dalam reaksi kimia. Entalpi juga dapat didefinisikan sebagai jumlah energi dalam ditambah dengan hasil kali antara tekanan dan volumenya (∆𝐻 = ∆𝑈 + 𝑃. 𝑉). Sedangkan, energi dalam ∆𝑈 adalah total energi kinetik yang berasal dari gerakan molekul dan energi potensial yang berkaitan dengan getaran dan energi potensial listrik dalam atom. Entalpi diukur pada tekanan konstan, sedangkan energi dalam (∆𝑈 ) diukur pada volume konstan. Nilai ∆𝐻 akan sama dengan ∆𝑈 saat ∆𝑉 = 0

atau jumlah mol produk=jumlah mol reaktan. Maka didapatkan persamaan ∆𝐻 = ∆𝑈 + 𝑃(0). Dan menghasilkan persamaan berikut ∆𝐻 = ∆𝑈.

3. Jelaskan (∆𝐻=0) tapi berjalan spontan, mengapa?

- Dalam termodinamika, ∆𝐻 merepresentasikan perubahan entalpi sistem dalam suatu reaksi. Nilai ∆𝐻 bisa berupa + atau – tergantung pada apakah reaksi tersebut endotermik atau eksotermik. Jika ∆𝐻 > 0 maka reaksi bersifat endotermik dan sistem melepaskan panas. Sedangkan, jika ∆𝐻 < 0 maka reaksi bersifat eksotermik dan sistem menyerap panas. Namun, jika nilai ∆𝐻 = 0 ini mengartikan bahwa tidak ada perubahan entalpi dalam sistem, tetapi tidak dapat menentukan spontanitas reaksi. Spontanitas reaksi ditentukan oleh perubahan energi bebas Gibbs ∆𝐺 = ∆𝐻 − 𝑇∆𝑆. Berdasarkan persamaan energi bebas Gibbs tersebut, dapat disimpulkan bahwa spontanitas pada

∆𝐻 = 0 dipengaruhi oleh nilai ∆𝑆. Berdasarkan hukum II termodinamika, entropi selalu meningkat dalam suatu sistem yang mengalami perubahan spontan. Oleh karena itu, reaksi yang bersifat spontan akan menghasilkan peningkatan entropi dalam sistem dan lingkungan sekitarnya.

4. Pada saat kapan nilai dS > 0 dan kapan dS = 0?

- Nilai dS atau perubahan entropi memiliki rumus 𝑑𝑆 =^𝛿𝑞

𝑇, dimana ^𝛿𝑞

𝑇 adalah fungsi keadaan entropi. Perubahan entropi berhubungan dengan gangguan dalam sistem.

Dimana, jika dalam sistem ditambahkan energi berupa panas, maka entropinya akan meningkat karena adanya gangguan termal yang meningkat. Aliran energi secara spontan sebagai panas dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu lebih rendah dapat diatur oleh kondisi tersebut. Nilai dS > 0 dapat terjadi saat proses spontan dalam sistem terisolasi maupun tidak terisolasi yang mengakibatkan meningkatnya ketidakteraturan molekul. Contohnya, reaksi pembakaran bahan bakar fosil menghasilkan entropi karena molekul bahan bakar dipecah menjadi molekul yang lebih kecil dan lebih terdispersi. Sedangkan, nilai dS=0 terjadi pada proses reversible dalam sistem terisolasi. Contohnya, ketika gas ideal mengalami ekspansi isothermal, tidak ada perubahan entropi dalam sistem karena suhu dan jumlah partikel tetap konstan.

5. Jelaskan perbedaan grafik distribusi termodinamika pada T absolute dari persamaan Maxwell-Boltzmann, Fermi-Dirac, dan Bose Einstein!

- Persamaan Maxwell-Boltzman menjadi dasar teori kinetik gas yang mendefinisikan distribusi kecepatan gas pada suhu tertentu. Dari fungsi distribusi ini, kecepatan yang paling mungkin terjadi, kecepatan rata-rata dan kecepatan root-mean-square dapat diturunkan. Oleh karena itu, distribusi ini digunakan untuk menentukan berapa banyak molekul yang bergerak diantara kecepatan v dan v + dv. Dengan mengasumsikan bahwa distribusi satu dimensi tidak bergantung satu sama lain, kecepatan pada arah y dan z tidak mempengaruhi kecepatan pada x. Pada suhu rendah, molekul memiliki energi yang lebih sedikit. Oleh karena itu, kecepatan molekul lebih rendah dan distribusinya memiliki kisaran yang lebih kecil. Seiring dengan meningkatnya suhu molekul, distribusi menjadi rata. Karena molekul memiliki energi yang lebih besar pada suhu yang lebih tinggi, molekul bergerak lebih cepat. Jadi, ketika suhu sistem mendekati 0 semua partikel akan cenderung berada pada tingkat energi pertama.

- Distribusi Fermi-Dirac mengungkapkan ketika T=0, probabilitas terjadinya konfigurasi electron dengan energi total yang lebih kecil dari energi fermi bernilai 1. Hal ini berarti bahwa pada suhu tersebut, electron-elektron cenderung menempati keadaan dengan energi terendah. Sehingga, konfigurasi tersebut hanya akan memiliki energi total paling tinggi sebesar energi fermi.

- Distribusi Bose-Einstein menggambarkan perilaku statistilk partikel spin integer (Boson). Distribusi ini menyiratkan bahwa pada suhu T>TB semua partikel dalam keadaan tereksitasi dan keadaan dasar tidak terisi. Tetapi pada suhu rendah, boson dapat berperilaku sangat berbeda dari fermion karena jumlah yang tidak terbatas dapat terkumpul dalam keadaan energi yang sama (disebut sebagai fenomena “kondensasi”).

Hal ini berarti pada suhu T<TB, partikel secara bertahap jatuh ke keadaan dasar yang pada batas T→ 0 berisi semua partikel dalam sistem.

6. Bila ada 5 molekul mempunyai sistem yang dapat dibedakan kelompok keadaan level energi a, berapa W, jumlah probabilitas microstate.

a. a1 = 2, a2 = 2, a3 = 0, a4 = 0, a5 = 1 b. a1 = 4, a2 = 1, a3 = 0, a4 = 0, a5 = 0

a1 a2 a3 a4 a5 W

a 2 2 0 0 1 30

b 4 1 0 0 0 5

Jumlah probablitas microstate pada kedua sistem adalah sebagai berikut:

𝑊𝑎 = 5!

2! 2! 1!= 30 𝑊𝑏 = 5!

4! 1!= 5

Gambarkan ilustrasi posisi ke-5 molekul tersebut untuk (b) dengan gambar dibawah ini.

a1 a2 a3 a4 a5