Fisika Termodinamika

01

Konsep dasar & Hukum ke-0

Analisis termodinamika selalu dimulai dengan menetapkan sistem (bagian alam yang kita pelajari) dan lingkungan (segala sesuatu di luarnya). Batas di antara keduanya menentukan apa yang boleh berpindah.

Jenis sistem	Materi	Energi	Contoh
Terbuka	bisa berpindah	bisa berpindah	Gelas kopi panas tanpa tutup
Tertutup	tidak	bisa berpindah	Vial obat bersegel di dalam freeze dryer
Terisolasi	tidak	tidak	Kalorimeter bom ideal

Keadaan sistem dijelaskan oleh variabel keadaan seperti P, V, T, dan n. Besaran yang hanya bergantung pada keadaan (bukan jalur) disebut fungsi keadaan: energi dalam U, entalpi H, entropi S, dan energi Gibbs G. Sebaliknya, kalor Q dan kerja W adalah besaran jalur; nilainya bergantung pada cara perubahan dilakukan. Variabel ekstensif (V, U, m) sebanding dengan ukuran sistem, sedangkan variabel intensif (T, P, ρ) tidak.

Hukum ke-0

Jika benda A setimbang termal dengan C, dan B juga setimbang termal dengan C, maka A setimbang termal dengan B. Pernyataan ini terdengar sepele, tetapi justru membuat suhu dapat didefinisikan: C berperan sebagai termometer. Skala Kelvin kini didefinisikan melalui nilai eksak konstanta Boltzmann, k_B = 1,380649 × 10⁻²³ J K⁻¹ (Tiesinga dkk., 2021).

T_akhir = C_AT_A + C_BT_BC_A + C_Bsuhu kesetimbangan dua benda dalam wadah terisolasi (C = kapasitas kalor)

Kesetimbangan termal dua balok

Suhu awal balok A 420 K

Suhu awal balok B 280 K

Rasio C_A : C_B 1,0

T_A420 K

T_B280 K

T akhir350 K

Titik-titik oranye menggambarkan aliran kalor dari benda panas ke benda dingin. Balok dengan kapasitas kalor lebih besar berubah suhu lebih sedikit.

02

Gas ideal & teori kinetik

Gas ideal adalah model dengan molekul titik yang tidak saling tarik-menarik dan hanya bertumbukan secara elastis. Pada tekanan rendah dan suhu tinggi, gas nyata mendekati perilaku ini.

PV = nRT R = 8,314 462 618… J mol⁻¹ K⁻¹R = N_Ak_B, bernilai eksak sejak redefinisi SI 2019 (Tiesinga dkk., 2021)

Teori kinetik menghubungkan tekanan dengan gerak molekul. Momentum yang dipindahkan saat molekul memantul dari dinding menghasilkan

P = 13 NmV ⟨v²⟩ ⟹ ⟨E_k⟩ = 32k_BT ⟹ v_rms = √(3RT/M)

Jadi suhu adalah ukuran energi kinetik translasi rata-rata. Kecepatan molekul tersebar menurut distribusi Maxwell–Boltzmann:

f(v) = 4π (M / 2πRT)^3/2 v² exp(−Mv² / 2RT)

Kotak gastekanan dari PV = nRT

seret untuk memutar, warna = kelajuan

Suhu T 300 K

Volume V 20 L

Jumlah mol n 1,0 mol

Jenis gas

Tekanan125 kPa

v_rms517 m/s

Tumbukan dinding0 /s

Suhu lebih tinggi membuat partikel lebih cepat dan lebih sering menumbuk dinding. Volume lebih kecil memperpendek jarak antardinding, sehingga tumbukan dan tekanan juga meningkat.

Distribusi Maxwell–Boltzmann

v_mp = √(2RT/M)–

v̄ = √(8RT/πM)–

v_rms = √(3RT/M)–

Permukaan P–V–T1 mol gas ideal

seret untuk memutar, garis = isoterm

Isoterm yang disorot 350 K

Titik keadaan, V 15 L

P di titik194 kPa

Setiap keadaan setimbang gas ideal terletak pada permukaan ini. Irisan dengan T tetap adalah hiperbola isoterm (P ∝ 1/V); irisan dengan V tetap adalah garis lurus isokhor (P ∝ T).

Gas nyata
Pada tekanan tinggi, gaya antarmolekul dan volume molekul tidak dapat diabaikan. Persamaan van der Waals mengoreksinya: (P + an²/V²)(V − nb) = nRT, dengan a mewakili tarikan antarmolekul dan b volume eksklusi (Atkins dkk., 2023).

03

Hukum I termodinamika

Hukum I adalah pernyataan kekekalan energi. Perubahan energi dalam sistem tertutup sama dengan kalor yang masuk dikurangi kerja yang dilakukan sistem:

ΔU = Q − W dU = δQ − δWkonvensi fisika/teknik (W = kerja oleh sistem). Buku kimia sering menulis ΔU = q + w, dengan w = kerja pada sistem.

Simbol δ mengingatkan bahwa Q dan W bukan diferensial eksak: nilainya bergantung pada jalur. Untuk kerja ekspansi melawan tekanan luar, δW = P_ext dV; untuk proses reversibel P_ext = P sehingga W = ∫P dV, yaitu luas di bawah kurva pada diagram P–V.

Entalpi dan kapasitas kalor

Banyak proses kimia dan farmasi berlangsung pada tekanan tetap. Untuk itu didefinisikan entalpi H = U + PV, sehingga pada P tetap ΔH = Q_p. Kapasitas kalor menghubungkan kalor dengan kenaikan suhu:

C_V = (∂U/∂T)_V C_P = (∂H/∂T)_P C_P,m − C_V,m = R (gas ideal)

Gas ideal	C_V,m	C_P,m	γ = C_P/C_V
Monoatomik (He, Ar)	3/2 R	5/2 R	1,667
Diatomik (N₂, O₂), suhu kamar	5/2 R	7/2 R	1,400

Nilai C_V,m berasal dari teorema ekipartisi: setiap derajat kebebasan kuadratik menyumbang ½R. Molekul monoatomik hanya punya tiga derajat translasi; molekul diatomik menambah dua derajat rotasi.

Neraca energi Hukum I

Kalor Q +500 J

Kerja oleh sistem W +200 J

Sistem menyerap kalor lebih banyak daripada kerja yang dilepaskannya, sehingga energi dalamnya naik (suhu gas ideal naik).

04

Proses pada gas ideal

Empat proses dasar berikut menjadi bahan penyusun semua siklus mesin kalor. Untuk n mol gas ideal yang berubah secara reversibel:

Proses	Konstan	W (oleh gas)	Q	ΔU
Isotermal	T	nRT ln(V₂/V₁)	= W	0
Isobarik	P	P(V₂ − V₁)	nC_PΔT	nC_VΔT
Isokhorik	V	0	nC_VΔT	nC_VΔT
Adiabatik	Q = 0, PV^γ	−nC_VΔT	0	nC_VΔT

Untuk proses adiabatik reversibel berlaku PV^γ = konstan dan TV^γ−1 = konstan. Kurvanya lebih curam daripada isoterm karena saat gas mengembang tanpa kalor masuk, suhunya ikut turun.

Diagram P–Vn = 1 mol, keadaan awal 300 K, 100 kPa

Rasio V₂/V₁ 2,00

Q–

W oleh gas–

ΔU–

T₂–

Luas arsiran di bawah kurva = kerja oleh gas. Garis tipis putus-putus adalah isoterm 300 K sebagai pembanding.

Contoh soal
Dua mol gas ideal mengembang isotermal dan reversibel pada 300 K dari 10 L menjadi 30 L. Kerja oleh gas: W = nRT ln(V₂/V₁) = 2 × 8,314 × 300 × ln 3 = 5,48 kJ. Karena ΔU = 0, gas menyerap Q = 5,48 kJ dari reservoir.

05

Hukum II, mesin kalor & Carnot

Hukum I tidak melarang kalor mengalir dari benda dingin ke benda panas, atau mesin mengubah seluruh kalor menjadi kerja. Hukum II menutup kemungkinan itu. Dua rumusan klasiknya setara:

Kelvin–Planck
Tidak mungkin ada mesin siklik yang menyerap kalor dari satu reservoir dan mengubah seluruhnya menjadi kerja.

Clausius
Kalor tidak dapat mengalir dengan sendirinya dari benda dingin ke benda panas tanpa kerja dari luar.

Carnot (1824) menunjukkan bahwa mesin paling efisien yang bekerja di antara dua reservoir adalah mesin reversibel. Siklusnya terdiri atas ekspansi isotermal pada T_H, ekspansi adiabatik, kompresi isotermal pada T_C, dan kompresi adiabatik.

η_Carnot = WQ_H = 1 − T_CT_H COP_kulkas = T_CT_H − T_C

Siklus Carnot1 mol gas monoatomik, V₁ = 10 L, V₂ = 20 L

Reservoir panas T_H 600 K

Reservoir dingin T_C 300 K

Tahap1→2 isotermal

η Carnot50,0 %

Q_H–

Q_C–

W netto–

Diagram T–S di bawah diagram P–V menunjukkan hal yang sama dengan cara lebih sederhana: siklus Carnot berupa persegi panjang. Luasnya sama dengan kerja netto, dan luas di bawah garis atas sama dengan Q_H.

06

Entropi & Hukum III

Clausius (1865) menemukan bahwa untuk siklus reversibel apa pun, ∮δQ_rev/T = 0. Artinya δQ_rev/T adalah diferensial dari suatu fungsi keadaan, yang ia namai entropi.

dS = δQ_revT ΔS_sistem + ΔS_lingkungan ≥ 0ketaksamaan Clausius: tanda = untuk proses reversibel, > untuk ireversibel

Boltzmann memberi makna mikroskopis: entropi mengukur banyaknya susunan mikro (mikrostat) Ω yang menghasilkan keadaan makro yang sama.

S = k_B ln Ω

Proses (gas ideal / zat murni)	Perubahan entropi
Ekspansi isotermal	ΔS = nR ln(V₂/V₁)
Pemanasan pada P tetap (C_P konstan)	ΔS = nC_P ln(T₂/T₁)
Transisi fase pada T_tr	ΔS = ΔH_tr/T_tr

Mikrostat dan entropiN = 40 partikel

Kiri n_L40

Kanan n_R0

Ω = C(N, n_L)1

S/k_B = ln Ω0,00

Ketika sekat dibuka, n_L berfluktuasi di sekitar 20 karena keadaan itu punya mikrostat paling banyak (C(40,20) ≈ 1,4 × 10¹¹). Peluang semua 40 partikel kembali ke kiri hanya 2⁻⁴⁰ ≈ 9 × 10⁻¹³. Itulah arah spontan menurut Hukum II.

Hukum III

Entropi kristal sempurna mendekati nol ketika T → 0 K (Nernst–Planck). Hukum ini memungkinkan entropi absolut (entropi Hukum III) ditabelkan, sehingga ΔS reaksi bisa dihitung dari S°_m zat. Konsekuensinya, suhu 0 K tidak dapat dicapai dalam jumlah langkah yang berhingga. Di dekat 0 K, kapasitas kalor kristal mengikuti hukum T³ Debye.

Entropi absolut air dari 0 Kilustrasi dengan nilai pembulatan

Lonjakan vertikal terjadi saat leleh (ΔS = 6,01 kJ mol⁻¹ / 273,15 K ≈ 22 J K⁻¹ mol⁻¹) dan mendidih (ΔS = 40,7 kJ mol⁻¹ / 373,15 K ≈ 109 J K⁻¹ mol⁻¹). Es nyata memiliki entropi sisa sekitar 3,4 J K⁻¹ mol⁻¹ karena ketidakteraturan ikatan hidrogen, contoh kristal yang tidak "sempurna".

07

Termokimia & Hukum Hess

Termokimia menerapkan Hukum I pada reaksi kimia. Karena entalpi adalah fungsi keadaan, entalpi reaksi tidak bergantung pada jalur. Inilah Hukum Hess: ΔH reaksi total sama dengan jumlah ΔH tahap-tahapnya.

Jalur yang paling praktis adalah "membongkar" reaktan menjadi unsur-unsurnya, lalu "merakit" produk dari unsur. Entalpi pembentukan standar ΔH°_f adalah ΔH untuk membentuk 1 mol zat dari unsur dalam bentuk paling stabil pada 1 bar; untuk unsur itu sendiri nilainya nol.

ΔH°_r = Σ ν ΔH°_f(produk) − Σ ν ΔH°_f(reaktan)

Diagram tingkat energi HessΔH°_f pada 298,15 K

Pilih reaksi

ΔH°_r–

Sifat–

Nilai ΔH°_f dibulatkan dari tabel data termokimia (Atkins dkk., 2023; Linstrom & Mallard, t.t.).

Hubungan ΔH dan ΔU
Untuk reaksi yang melibatkan gas, ΔH = ΔU + Δn_gasRT. Pada kalorimeter bom (V tetap) yang terukur adalah ΔU; pada kalorimeter tekanan tetap yang terukur adalah ΔH. Hukum Kirchhoff memberi ketergantungan suhu: ΔH(T₂) = ΔH(T₁) + ΔC_P(T₂ − T₁).

08

Energi Gibbs & aplikasi farmasi

Kriteria ΔS_total ≥ 0 menuntut kita menghitung entropi lingkungan. Pada T dan P tetap, Gibbs (1876–1878) menyatukan keduanya ke dalam satu fungsi milik sistem:

G = H − TS ⟹ ΔG = ΔH − TΔS ΔG < 0 : spontan−ΔG juga merupakan kerja non-ekspansi maksimum yang dapat diperoleh dari proses

ΔG = ΔG° + RT ln Q saat setimbang: ΔG° = −RT ln K

ΔG sebagai fungsi suhuΔH dan ΔS dianggap tetap

ΔH −92 kJ/mol

ΔS −199 J/(mol·K)

Suhu T 298 K

ΔG pada T–

K–

T* (ΔG = 0)–

Nilai awal mendekati sintesis amonia N₂ + 3H₂ → 2NH₃: spontan pada suhu kamar, tidak spontan di atas ±464 K.

Termodinamika ikatan obat–reseptor

Afinitas obat terhadap targetnya dinyatakan dengan konstanta disosiasi K_d. Energi Gibbs ikatan standar (keadaan standar 1 M) adalah ΔG°_ikat = RT ln K_d. Setiap penurunan K_d sepuluh kali lipat memberi tambahan sekitar −5,9 kJ/mol pada 310 K. Isothermal titration calorimetry (ITC) mengukur ΔH secara langsung, sehingga −TΔS dapat dihitung. Modifikasi ligan sering menghasilkan ΔH dan −TΔS yang berubah berlawanan sementara ΔG hampir tetap, fenomena yang disebut kompensasi entalpi–entropi (Chodera & Mobley, 2013).

Afinitas ikatanΔG° = RT ln K_d

K_d 10 nM

Suhu 310 K

ΔH ikat (dari ITC) −30 kJ/mol

ΔG°_ikat–

−TΔS–

Penggerak–

Diagram fase air & freeze drying

Freeze drying (liofilisasi) mengeringkan sediaan yang tidak tahan panas dengan menyublimkan es. Syaratnya, produk berada di bawah titik tripel air (273,16 K; 611,657 Pa) sehingga es berubah langsung menjadi uap. Kurva sublimasi didekati dengan persamaan Clausius–Clapeyron, ln(P₂/P₁) = −(ΔH_sub/R)(1/T₂ − 1/T₁), dengan ΔH_sub ≈ 51 kJ/mol. Prosesnya terdiri atas pembekuan, pengeringan primer (sublimasi pada tekanan ruang beberapa pascal), dan pengeringan sekunder (desorpsi air terikat). Suhu produk selama pengeringan primer harus tetap di bawah suhu kolaps formulasi (Tang & Pikal, 2004; Tchessalov dkk., 2023).

Jalur liofilisasi pada diagram fasesumbu tekanan logaritmik

Tahap–

T, P–

A → B: larutan dibekukan pada tekanan atmosfer. B → C: ruang divakumkan. C → D: rak dipanaskan perlahan sehingga es menyublim ketika jalur melewati kurva sublimasi.

✎

Latihan soal hitungan

Ketik jawaban numerik dalam satuan yang diminta (koma atau titik desimal boleh). Jawaban dinilai benar bila selisihnya kurang dari 2%. Gunakan R = 8,314 J mol⁻¹ K⁻¹.

Skor soal hitungan0 / 10

★

Ujian akhir

Lima belas soal pilihan ganda diambil acak dari seluruh bab. Jawaban baru diperiksa setelah Anda mengumpulkan. Batas lulus 70.

Belum dimulai

15 soal, tanpa batas waktu, skor terbaik tersimpan di peramban ini

§

Daftar pustaka

Atkins, P., de Paula, J., & Keeler, J. (2023). Atkins' physical chemistry (12th ed.). Oxford University Press.
Carnot, S. (1824). Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance. Bachelier.
Çengel, Y. A., Boles, M. A., & Kanoğlu, M. (2023). Thermodynamics: An engineering approach (10th ed.). McGraw Hill.
Chodera, J. D., & Mobley, D. L. (2013). Entropy-enthalpy compensation: Role and ramifications in biomolecular ligand recognition and design. Annual Review of Biophysics, 42, 121–142. https://doi.org/10.1146/annurev-biophys-083012-130318
Clausius, R. (1865). Ueber verschiedene für die Anwendung bequeme Formen der Hauptgleichungen der mechanischen Wärmetheorie. Annalen der Physik und Chemie, 125(7), 353–400. https://doi.org/10.1002/andp.18652010702
Flowers, P., Theopold, K., Langley, R., & Robinson, W. R. (2019). Chemistry 2e. OpenStax. https://openstax.org/details/books/chemistry-2e
Gibbs, J. W. (1878). On the equilibrium of heterogeneous substances. Transactions of the Connecticut Academy of Arts and Sciences, 3, 108–248, 343–524.
Halliday, D., Resnick, R., & Walker, J. (2021). Fundamentals of physics (12th ed.). Wiley.
Ling, S. J., Sanny, J., & Moebs, W. (2016). University physics: Volume 2. OpenStax. https://openstax.org/details/books/university-physics-volume-2
Linstrom, P. J., & Mallard, W. G. (Eds.). (t.t.). NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database Number 69. National Institute of Standards and Technology. Diakses 15 Oktober 2026, dari https://doi.org/10.18434/T4D303
Sinko, P. J. (Ed.). (2023). Martin's physical pharmacy and pharmaceutical sciences (8th ed.). Wolters Kluwer.
Tang, X., & Pikal, M. J. (2004). Design of freeze-drying processes for pharmaceuticals: Practical advice. Pharmaceutical Research, 21(2), 191–200. https://doi.org/10.1023/B:PHAM.0000016234.73023.75
Tchessalov, S., Maglio, V., Kazarin, P., Alexeenko, A., Bhatnagar, B., Sahni, E., & Shalaev, E. (2023). Practical advice on scientific design of freeze-drying process: 2023 update. Pharmaceutical Research, 40, 2433–2455. https://doi.org/10.1007/s11095-023-03607-9
Tiesinga, E., Mohr, P. J., Newell, D. B., & Taylor, B. N. (2021). CODATA recommended values of the fundamental physical constants: 2018. Reviews of Modern Physics, 93(2), Artikel 025010. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.93.025010