Energi Bebas (free energies)
12.6. Energi Bebas (free energies)
Kelvin memformulasikan bahwa pada umumnya alam tidak memperkenankan panas dikonversikan menjadi kerja tanpa disertai oleh perubahan besaran yang lain. Kalau formulasi Kelvin ini kita bandingkan dengan pernyataan Hukum Thermodinamika Ke-dua, maka besaran lain yang berubah yang menyertai konversi panas menjadi kerja adalah perubahan entropi. Perubahan neto entropi, yang selalu meningkat dalam suatu proses, merupakan energi yang tidak dapat diubah menjadi kerja, atau biasa disebut energi yang tak dapat diperoleh (unavailable energy).
Sesuai Hukum Thermodinamika Pertama, jika kita masukkan energi panas ke dalam sistem dengan maksud untuk mengekstraknya menjadi kerja maka yang bisa kita peroleh dalam bentuk kerja adalah energi yang masuk ke sistem dikurangi energi yang tak bisa diperoleh, yang terkait dengan entropi. Karena mengubah energi menjadi kerja adalah proses irreversible, sedangkan dalam proses irreversible entropi selalu meningkat, maka energi yang tak dapat diperoleh adalah TS di mana S adalah entropi dan T adalah temperatur dalam kondisi keseimbangan. Energi yang bisa diperoleh disebut energi bebas yang yang diformulasikan oleh Helmholtz sebagai
A ≡ E − TS
A disebut Helmholtz Free Energy. Jika persamaan (12.16) ini dideferensiasi diperoleh
(12.17) Penerapan hukum thermodinamika pertama memberikan persamaan
dA ≡ dE − TdS − SdT
(12.2) yang dapat kita tuliskan dE = dq − dw sedangkan definisi dq entropi dinyatakan oleh persamaan (12.11) rev
dS sistem = , maka T
(12.17) dapat dituliskan
(12.18) Jika temperatur konstan dan tidak ada kerja yang dilakukan oleh sistem
dA = dq − dw − dq rev − SdT
pada lingkungan maupun dari lingkungan pada sistem, maka (12.18) menjadi
(12.19) Karena dq ≤ dq rev menurut hukum Thermodinamika Ke-dua, maka dA w , T ≤ 0 (12.20) 201
dA w , T = dq − dq rev
Jadi pada proses isothermal di mana tidak ada kerja, energi bebas Helmholtz menurun dalam semua proses alamiah dan mencapai nilai minimum setelah mencapai keseimbangan. Pernyataan ini mengingatkan kita pada peristiwa dua atom yang saling berdekatan membentuk ikatan atom. Ikatan terbentuk pada posisi keseimbangan yang merupakan posisi di mana energi potensial kedua atom mencapai nilai minimum. Demikian pula halnya dengan sejumlah atom yang tersusun menjadi susunan kristal; energi potensial total atom-atom ini mencapai nilai minimum. Melalui analogi ini, energi bebas dipahami juga sebagai potensial thermodinamik .
Membuat temperatur konstan dalam suatu proses bisa dilakukan di laboratorium. Tetapi tidaklah mudah membuat sistem tidak memuai pada waktu energi panas masuk ke dalamnya. Lagi pula sekiranya pemuaian dapat diabaikan seperti pada kasus pemanasan dielektrik, polimerisasi ataupun depolimerisasi akan terjadi di dalam dielektrik sehingga kerja selalu diperlukan. Untuk mengatasi kesulitan ini Gibbs (Josiah Willard Gibbs 1839 – 1903) mengajukan formulasi energi bebas, yang selanjutnya disebut energi bebas Gibbs (Gibbs Free Energy), G, dengan memanfaatkan definisi enthalpi
(12.21) Relasi (12.21) memberikan dG = dE + PdV + VdP − TdS − SdT
G ≡ H − TS = E + PV − TS
(12.22) = dq − dw + PdV + VdP − dq rev − SdT
Jika hanya tekanan atmosfer yang bekerja pada sistem, maka dw = PdV , sehingga
dG = dq + VdP − dq rev − SdT (12.23) Jika tekanan dan temperatur konstan, yang tidak terlalu sulit untuk
dilakukan, maka (12.23) menjadi dG P , T = dq − dq rev dan dG P , T ≤ 0 (12.24) karena kebanyakan proses adalah irreversible di mana dq ≤ dq rev . Jadi
jika temperatur dan tekanan dibuat konstan, energi bebas Gibb mencapai minimum pada kondisi keseimbangan.
202 Sudaryatno S & Ning Utari S, Mengenal Sifat Material