Kesetimbangan termodinamik

Dalam termodinamika, suatu sistem termodinamik disebut berada dalam kesetimbangan termodinamik bila sistem tersebut berada dalam keadaan setimbang mekanis, setimbang termal dan setimbang secara kimia. Dalam kesetimbangan termodinamik, tidak ada kecenderungan untuk terjadi perubahan keadaan, baik untuk sistem maupun untuk lingkungannya.^[1]

Kesetimbangan mekanis terjadi apabila tidak ada gaya yang takberimbang di bagian dalam sistem, dan juga antara sistem dan lingkungannya. Dalam kesetimbangan termal, semua bagian sistem bertemperatur sama, dan sistem juga memiliki suhu yang sama dengan lingkungannya.

Dalam kesetimbangan kimia, suatu sistem tidak mengalami perubahan spontan dalam struktur internalnya, seperti reaksi kimia. Sistem dalam kesetimbangan kimia juga tidak mengalami perpindahan materi dari satu bagian sistem ke bagian sistem lainnya, seperti difusi atau pelarutan.

Bila ketiga syarat kesetimbangan tersebut tidak dipenuhi, maka sistem termodinamik disebut berada dalam keadaan yang tidak setimbang.

Gambaran

Termodinamika klasik meliputi keadaan kesetimbangan dinamis. Keadaan lokal dari suatu sistem pada kesetimbangan termodinamika ditentukan oleh nilai dari parameter intensifnya, seperti tekanan dan suhu. Untuk lebih spesifik, kesetimbangan termodinamika dikarakteristikkan oleh potensial termodinamika minimum, seperti energi bebas Helmhlotz, yaitu sistem pada suhu dan volume sama:

A = U - TS;

atau energi bebas Gibbs, yaitu sistem dengan tekanan dan suhu tetap:

G = H - TS.

di mana T = suhu, S = entropi, U = energi dalam dan H= entalpi. Energi bebas Helmholtz sering dinotasikan dengan simbol F, tetapi penggunaan A dipilih oleh IUPAC [2]. Proses yang mengatur suatu kesetimbangan termodinamika disebut termalisasi. Suatu contoh adalah suatu sistem dengan partikel yang berinteraksi tidak terganggu oleh pengaruh luar. Dengan interaksi, mereka akan menggabungkan energi/momentum di antara mereka dan mencapai suatu keadaan di mana statistik umum tidak berubah terhadap waktu.

Keadaan Kesetimbangan

Dengan melihat bentuk turunan dari potensial termodinamika, hubungan berikut dapat diturunkan:

Untuk sistem terisolasi sempurna, ΔS = 0 pada kesetimbangan.
Untuk sistem dengan suhu dan volume tetap, ΔA = o pada kesetimbangan.
sistem dengan suhu dan tekanan tetap, ΔG = 0 pada kesetimbangan.

Jenis lain dari kesetimbangan yang dicapai adalah sebagai berikut:

Dua sistem dalam kesetimbangan termal saat suhu sama.
Dua sistem dalam kesetimbangan mekanik saat tekanan mereka sama.
Dua sistem dalam kesetimbangan difusi saat potensial kimia mereka sama.

Semua pengaruh seimbang.

Kesetimbangan Lokal dan Global

Adalah penting untuk membedakan antara kesetimbangan termodinamika global dan lokal. Dalam termodinamika, perubahan dengan sistem dan antara sistem dan luar dikontrol oleh parameter intensif. Sebagai contoh, suhu mengontrol perubahan panas. Kesetimbangan Termodinamika global berarti bahwa parameter intensif itu homogen dalam sistem keseluruhan, sedangkan kesetimbangan termodinamika lokal berarti parameter intensif bervariasi dalam ruang dan waktu, tetapi variasi itu dengan pelan untuk setiap titik, yang dapat mengasumsikan kesetimbangan dalam kesetimbangan termodinamika dalam lingkungan titik tersebut.

Jika gambaran sistem dengan variasi dalam parameter intensif begitu luas, banyak asumsi sebelumnya yang mana definisi parameter intensif ini akan rusak, dan sistem tidak pernah akan berada dalam kesetimbangan global maupun lokal. Contohnya, suatu jumlah tabrakan yang pasti untk suatu partikel untuk setimbang pada lingkungannya. Jika jarak rata-rata partikel yang telah bergerak selama tabrakan menghilang dari lingkungan yang setimbang, dia tidak pernah akan setimbang dan tidak ada kesetimbangan termodinamika lokal. Secara definisi, suhu adalah perbandingan rata-rata energi dalam dari suatu lingkungan yang setimbang. Karena tidak ada lingkungan yang setimbang, konsep suhu salah, dan suhu menjadi tak terdefinisi.

Adalah penting untuk diingat bahwa kesetimbangan lokal hanya dapat diaplikasi pada suatu subset pasti dari partikel-partikel dalam sistem. Contohnya, Kesetimbangan Termodinamika Lokal biasanya hanya diaplkasikan pada partikel besar. Dalam gas yang memancar, foton-foton yang sedang dipancarkan dan diserap oleh gas tidak perlu berada dalam kesetimbangan termodinamika dengan masing-masing atau dengan partikel-partikel besar dari gas agar kesetimbangan termodinamika lokal ada. Pada kasus yang sama, tidak perlu diperhatikan elektron bebas yang ada dalam kesetimbangan dengan atom-atom dan molekul yang lebih banyak agar kesetimbangan termodinamika lokal ada.

Sebagai contoh, kesetimbangan termodinamika akan selalu ada dalam suatu gelas yang beridi air yang mengandung es balok yang melebur. Suhu di dalam gelas dapat didefinisikan pada suatu titik, tetapi dia lebih dingin dekat es balok daripada jauh darinya. Jika energi molekul ditempatkan dekat suatu titik yang diberi diobservasi, mereka akan didistribusikan menurut distribusi Maxwell-Boltzmann untuk suhu tertentu. Jika energi-energi molekul didetempatkan ekat titik yang lain diamati, mereka akan didistribusikan menutur distribusi Maxwell-Boltzman untuk temperatur lainnya.

Kesetimbangan termidinamika lokal tidak mempertimbangkan stasioner lokal dan global. Dengan kata lain, masing-masing lokalitas kecil tidak membutuhkan suhu yang tetap. Tetapi, dia memerlukan masing-masing perubahan lokalitas kecil secara perlahan untuk menopang dengan praktis distribusi Maxwell-Boltzman lokal kecepatan molekul. Suatu keadaan ketidaksetimbangan dapat menjadi stasioner stabil jika dipertahankan oleh perubahan di anatara sistem dan linkungan. Contohnya, statisoner yang stabil secara global dapat dipertahankan di bagaian dalam gelas yang berisi air dengan penambahan bubuk halus ke dalamnya agar mengimbangi titik leburnya, dan secara tetap pengeringan lelehan air. Fenomena transport adalah proses yang mengatur bentuk sistem kesetimbangan termodinamika lokal ke global. Kembali lagi pada contoh, difusi panas akan mengatur gelas terhadap kesetimbangan termodinamika, suatu keadaan dengan suhu gelas homogen sempurna.^[2]

Jenis-jenis kesetimbangan

Kesetimbangan termal

Kesetimbangan termal dicapai ketika dua sistem dalam termal kontak dengan masing-masing berhenti untuk memperoleh net perubahan energi. Ini berarti bahwa jika dua sistem dalam kesetimbangan termal, suhu mereka sama.^[3] Kesetimbangan termal terjadi ketika suatu sistem termal mokroskopik yang teramati telah berhenti untuk perubahan waktu. Contohnya, suatu gas ideal dengan fungsi distribusi telah stabil pada suatu distribusi Maxwell-Boltzmann dalam kesetimbangan termal. Kesetimbangan termal dari suatu sistem tidak berarti mutlak tidak seragam dengan sistem; contohnya, sebuah sistem sungai dapat berada dalam kesetimbangan termal saat distribusi suhu makroskopik stabil dan tidak berubah terhadap waktu, mesekipun distribusi temperatur spasial merefleksikan masukan polusi termal.

Kesetimbangan Kuasistatik

Kesetimbangan kuasistatik adalah keadaan kuasi-setimbang dari suatu sistem termodinamika mendekati kesetimbangan termodinamika, dalam beberapa arti. Dalam proses kuasistatik atau kesetimbangan, transisi perlahan yang memadai dari sistem termodinamika dari keadaan kesetimbangan ke keadaan lain yang terjadi seperti pada setiap keadaan sistem yang mendekati keadaan kesetimbangan. Selama proses kuastatic, sistem mencapai kesetimbangan lebih cepat, hampir seketika, dari parameter fisik yang bervariasi.

Ketidaksetimbangan

Termodinamika ketidaksetimbangan adalah cabang termoinamika yang meliputi sistem yang tidak berada dalam kesetimbangan termodinamika. Kebanyakan sistem yang ditemukan di alam tidak dalam kesetimbangan termodinamika karena mereka berubah atau dipicu untuk berubah terhadap waktu, dan secara tetap dan tidak tetap subjek untuk fluks materi dan energi dan dari sistem lainnya. Studi termodinamika sistem tidak-setimbang memenuhi banyak konsep umum daripda termodinamika kesetimbangan. Banyak sistem alam sampai sekarang tetap berada di luar cakupan metode termodinamika makroskopik sekarang ini.

Referensi Umum

Cesare Barbieri (2007) Fundamentals of Astronomy. First Edition (QB43.3.B37 2006) CRC Press ISBN 0-7503-0886-9, 9780750308861
Hans R. Griem (2005) Principles of Plasma Spectroscopy (Cambridge Monographs on Plasma Physics), Cambridge University Press, New York ISBN 0-521-61941-6
C. Michael Hogan, Leda C. Patmore and Harry Seidman (1973) Statistical Prediction of Dynamic Thermal Equilibrium Temperatures using Standard Meteorological Data Bases, Second Edition (EPA-660/2-73-003 2006) United States Environmental Protection Agency Office of Research and Development, Washington DC [1]
F. Mandl (1988) Statistical Physics, Second Edition, John Wiley & Sons