Simulasi Animatif Interaktif ΔG = ΔH − TΔS

Mengapa es mencair di atas 0 °C dan membeku di bawahnya, padahal melebur selalu membutuhkan kalor? Mengapa amonia lebih mudah terbentuk pada suhu rendah, tetapi pabrik justru memakai suhu tinggi? Jawabannya ada pada tarik-menarik dua kecenderungan: sistem ingin melepas energi (ΔH), dan partikel ingin menyebar (ΔS). Suhu bertindak sebagai pengali yang menentukan kecenderungan mana yang menang. Simulasi ini memperlihatkan tarik-menarik itu, serta bagaimana batas antara zona spontan dan tidak spontan bergeser saat suhu diubah.

Untuk simulasi kimia interaktif lain dari blog ini sila klik tautan ini.

Landasan Teori

1. Kriteria spontan.
   Pada suhu dan tekanan tetap, ΔG = ΔH − TΔS. Reaksi spontan jika ΔG < 0, berada dalam kesetimbangan jika ΔG = 0, dan tidak spontan (kebalikannya yang spontan) jika ΔG > 0.

2. Entropi (S) mengukur banyaknya cara partikel dan energi dapat tersusun (S = k ln W). ΔS umumnya positif bila produk lebih "tersebar": padat → cair → gas, jumlah mol gas bertambah, atau zat melarut.

3. Asal rumusnya.
   Entropi total alam semesta ΔS_tot = ΔS_sistem + ΔS_lingkungan, dan ΔS_lingkungan = −ΔH/T. Jadi ΔS_tot = ΔS − ΔH/T, sehingga ΔG = −TΔS_tot. Artinya ΔG < 0 sama dengan ΔS_tot > 0, yaitu hukum kedua termodinamika.

4. Empat kasus.
   Suhu kesetimbangan (ΔG = 0) adalah T = ΔH/ΔS.

   ΔH	ΔS	Sifat ΔG	Spontanitas
   −	+	selalu negatif	spontan di semua suhu
   +	−	selalu positif	tidak spontan di semua suhu
   −	−	negatif di T rendah	spontan di bawah ΔH/ΔS
   +	+	negatif di T tinggi	spontan di atas ΔH/ΔS

5. Hubungan dengan K.
   ΔG° = −RT ln K. Jika ΔG° < 0 maka K > 1 (produk dominan saat setimbang), jika ΔG° > 0 maka K < 1.

6. Bentuk grafik.
   ΔG terhadap T berupa garis lurus: perpotongan dengan sumbu ΔG sama dengan ΔH, dan kemiringannya sama dengan −ΔS.

7. Asumsi.
   ΔH dan ΔS dianggap tidak bergantung pada suhu (pendekatan yang baik pada rentang suhu tidak terlalu lebar). Simulasi memakai kondisi standar (ΔG°). Pada kondisi lain, ΔG = ΔG° + RT ln Q. Spontan secara termodinamika tidak berarti cepat; laju ditentukan oleh kinetika. Data reaksi adalah nilai pembulatan dari tabel termodinamika standar.

Cara Menggunakan Simulasi

1. Pilih salah satu reaksi. Nilai ΔH dan ΔS otomatis terisi.
2. Geser slider suhu, atau tekan Pindai suhu agar suhu bergerak naik-turun otomatis. Perhatikan penanda suhu yang bergerak melewati zona hijau dan merah pada grafik.
3. Geser slider ΔH dan ΔS untuk membuat reaksi sendiri dan menguji keempat kasus.
4. Amati kotak partikel, grafik ΔG, batang tarik-menarik, dan kotak data di bawah kanvas.

Cara Interpretasi Hasil Simulasi

• Kotak partikel: luas daerah putus-putus adalah ruang gerak partikel. Jika ΔS positif, produk punya ruang gerak lebih luas (lebih tersebar) daripada reaktan. Partikel bergerak makin cepat saat suhu naik. Bingkai kotak produk berwarna hijau bila ΔG < 0 dan merah bila ΔG > 0.
• Grafik ΔG vs T: latar hijau adalah zona spontan dan latar merah adalah zona tidak spontan. Titik potong garis dengan sumbu nol adalah T = ΔH/ΔS. Titik pada garis menunjukkan kondisi saat ini.
• Batang tarik-menarik: batang ΔH dan batang −TΔS disusun berurutan, dan ujung akhirnya adalah ΔG. Batang hijau berarti mendukung reaksi dan batang merah berarti menghambat. Saat T naik, batang −TΔS makin panjang: itulah mengapa suhu bisa membalik pemenang.
• K dan komposisi setimbang: makin negatif ΔG, makin besar K dan makin banyak produk. Diagram komposisi memakai model sederhana A ⇌ B (satu reaktan menjadi satu produk), jadi hanya ilustrasi arah, bukan angka eksak untuk reaksi bermol-gas berbeda.
• Tantangan: (a) Pada reaksi CaCO₃, geser suhu sampai ΔG = 0. Bandingkan dengan ΔH/ΔS. (b) Atur ΔH dan ΔS agar reaksi spontan hanya di bawah 500 K. (c) Pada reaksi Haber, pada suhu berapa K = 1? Mengapa industri tetap memakai suhu yang lebih tinggi dari itu?

Simulasi Interaktif

Pilih reaksi:

Suhu T:

ΔH: ΔS:

ΔH

TΔS

ΔG

K saat ini

T kesetimbangan