Apa itu proses spontan?

Spontanitas adalah konsep yang pada prinsipnya sangat intuitif. Proses spontan adalah proses yang mewakili “cara alami” di mana segala sesuatu terjadi berdasarkan pengalaman kita sehari-hari . Sebagai contoh, bagi kita sangatlah wajar jika kita menjatuhkan batu dari ketinggian tertentu, batu itu akan jatuh ke tanah. Wajar juga jika kita mengeluarkan es krim dari lemari es dan membiarkannya terkena sinar matahari akhirnya akan meleleh, jadi salah satu dari contoh ini adalah proses spontan.

Kita bahkan dapat memahami kehidupan itu sendiri sebagai kombinasi yang sangat kompleks dari jutaan proses spontan yang terjadi secara bersamaan dan terkoordinasi, mulai dari asupan udara selama respirasi, penyerapan oksigen oleh darah di alveoli paru, dan produksi ATP. .di mitokondria, untuk penggunaan ATP tersebut untuk menjaga kontraksi otot yang membantu kita memegang batu di tangan kita dan impuls saraf yang mengarahkan kita untuk mengendurkan otot-otot ini sehingga kita melepaskannya dan kemudian jatuh ke tanah. Semuanya adalah proses spontan.

Apa yang tidak spontan adalah bahwa salah satu dari proses yang disebutkan di atas terjadi dalam arah yang berlawanan. Artinya, bukanlah hal yang wajar atau spontan jika sebuah batu tiba-tiba melompat keluar dari tanah tanpa intervensi eksternal dan mendarat di tangan kita pada ketinggian satu meter.

Konsep termodinamika tentang spontanitas

Spontanitas, yaitu kualitas yang membuat suatu proses menjadi spontan, merupakan bidang studi yang sangat penting dalam termodinamika. Faktanya, dapat dikatakan bahwa itu adalah subjek paling penting yang dipelajari oleh cabang ilmu ini, karena memungkinkan kita untuk memahami mengapa sistem berevolusi secara alami dari satu keadaan ke keadaan lain dan juga memungkinkan kita untuk memprediksi ke arah mana suatu sistem akan berkembang. kondisi awal tertentu. Mengingat hal ini, proses spontan harus didefinisikan dengan cara yang lebih teknis dan berdasarkan konsep yang berbeda dari bidang pengetahuan ini.

Dalam pengertian ini, proses spontan terdiri dari evolusi sistem termodinamika dalam waktu dari keadaan awal ke keadaan akhir tanpa kontribusi jenis energi apa pun dari sumber eksternal, yaitu dari lingkungannya . Kita juga dapat mendefinisikannya sebagai evolusi alami dalam waktu dari sistem yang terisolasi, karena, menurut definisi, sistem ini sama sekali tidak berinteraksi dengan lingkungan.

Dari sudut pandang sebelumnya dan mengingat bahwa alam semesta tempat kita hidup adalah satu-satunya sistem termodinamika terisolasi par excellence, setiap proses yang terjadi di alam semesta pasti merupakan proses spontan, karena, jika memang terjadi, ia melakukannya tanpa input apa pun. dari itu di luar alam semesta (jika ada sesuatu di sana).

Hukum kedua termodinamika dan kriteria termodinamika spontanitas

Seperti yang kami sebutkan beberapa saat yang lalu, studi tentang proses spontan memungkinkan termodinamika untuk memahami mengapa beberapa proses bersifat spontan dan mengapa yang lain tidak. Hal ini menyebabkan pembentukan apa yang dikenal sebagai kriteria spontanitas, yang dirangkum dalam hukum kedua termodinamika. Seperti namanya, ini adalah kriteria yang memungkinkan kita menilai apakah suatu proses itu spontan atau tidak dalam arti yang diusulkan.

Berkat studi-studi ini, dimungkinkan untuk menetapkan bahwa spontanitas dikaitkan dengan proses-proses yang mengarah pada pemborosan energi . Disipasi energi sistem dipahami sebagai hilangnya bentuk energi yang terkonsentrasi dan dapat digunakan oleh sistem (misalnya, energi potensial) dalam bentuk energi panas. Yang terakhir terdiri dari gerakan partikel yang membentuk materi secara acak dan tidak teratur.

Jumlah energi panas yang hilang selama proses spontan dihitung dengan perubahan entropi proses (ΔS). Entropi adalah ukuran ketidakteraturan sistem termodinamika yang hanya bergantung pada keadaan di mana ia ditemukan. Hal ini memungkinkan kita untuk menetapkan konsep termodinamika yang lebih tepat tentang apa itu proses spontan, sebuah konsep yang, pada saat yang sama, ternyata menjadi salah satu cara untuk menyatakan hukum kedua termodinamika:

Dalam sistem yang terisolasi, proses spontan adalah proses yang melibatkan disipasi energi dan, oleh karena itu, menghasilkan peningkatan entropi sistem (ΔS>0).

Kriteria global spontanitas

Konsep ini tampaknya tidak banyak berguna, karena mendefinisikan proses spontan hanya untuk sistem yang terisolasi. Akan bermanfaat untuk bertanya pada diri kita sendiri, lalu, apa yang terjadi jika kita ingin mempelajari suatu proses dalam sistem terbuka seperti sel misalnya?

Jawabannya sudah disajikan sebelumnya. Ternyata hukum kedua, sebagaimana disebutkan, sebenarnya memungkinkan kita untuk menetapkan kriteria spontanitas global yang berlaku untuk semua jenis sistem, terisolasi atau tidak.

Ingatlah bahwa alam semesta, menurut definisi, adalah sistem yang terisolasi, jadi hukum kedua menyiratkan bahwa setiap proses yang terjadi di dalam alam semesta akan terjadi secara spontan, selama entropi alam semesta meningkat (ΔS Universe >0 ₎ . Karena sistem apa pun yang dapat kita bayangkan secara definisi adalah milik alam semesta, maka proses apa pun yang terjadi di dalam suatu sistem, baik terbuka, tertutup, atau terisolasi, juga akan terjadi di alam semesta. Akibatnya, terlepas dari jenis sistemnya, proses spontan akan menjadi salah satu yang menghasilkan peningkatan entropi alam semesta atau, yang sama, yang mengarah pada peningkatan ketidakteraturan alam semesta.

Kriteria spontanitas yang kurang umum

Entropi alam semesta memberi kita kriteria umum untuk mendefinisikan proses spontan, namun tidak selalu mudah untuk menghitung perubahan entropi untuk beberapa proses. Mengingat hal ini, serangkaian kriteria termodinamika telah ditetapkan untuk proses yang terjadi dalam kondisi yang sangat spesifik dan menyiratkan bahwa variasi entropi alam semesta akan bernilai positif. Kriteria tersebut adalah:

Dari semua kriteria ini, yang paling umum digunakan adalah energi bebas Gibbs, karena kriteria inilah yang paling banyak diterapkan pada reaksi kimia. Hal ini terutama berlaku di bidang biokimia, di mana energi bebas Gibbs memungkinkan memprediksi arah proses mulai dari sintesis protein hingga lewatnya ion melalui saluran membran selama potensial aksi neuron. .

Contoh proses spontan

reaksi pembakaran

Reaksi pembakaran adalah proses eksotermis di mana bahan bakar organik digabungkan dengan oksigen untuk menghasilkan karbon dioksida, air, dan produk lainnya, bergantung pada komposisinya. Seperti yang kita ketahui, reaksi-reaksi ini spontan, karena begitu nyala api dimulai, reaksi terus terjadi sampai pereaksi pembatas habis.

Sifat eksotermis dari proses ini berarti energi bebas Gibbs selalu negatif, itulah sebabnya reaksi ini selalu spontan.

perubahan fase

Ketika kita menempatkan zat padat di lingkungan yang suhunya lebih tinggi dari titik lelehnya, perubahan fase dari padat menjadi cair pada akhirnya akan terjadi secara spontan. Misalnya, es yang terpapar udara pada hari yang panas akan mencair.

Kebalikannya juga benar. Artinya, jika kita menempatkan cairan di media yang suhunya lebih rendah dari titik lelehnya, cairan itu akan memadat secara spontan. Inilah yang terjadi ketika kita meninggalkan air cair di dalam freezer atau di luar pada malam musim dingin.

Proses penguapan suatu cairan (peralihan dari cair ke gas) ketika berada di lingkungan yang sangat sedikit zat ini dalam wujud gas juga merupakan proses spontan, dan tidak memerlukan pemanasan hingga titik didihnya. Kami melihat ini setiap hari ketika kami membiarkan pakaian basah mengering.

Perlambatan karena gesekan

Contoh lain dari proses spontan terhenti atau melambat karena gesekan atau gesekan. Ini adalah pengamatan sehari-hari bahwa benda-benda yang meluncur di permukaan apa pun, tidak peduli seberapa halusnya, akhirnya melambat dan menghilangkan semua energi kinetik saat panas dipindahkan ke permukaan.

Kita juga dapat melihat proses spontan yang sama ketika pesawat luar angkasa, seperti pesawat ulang-alik NASA atau kapsul Crew Dragon SpaceX, memasuki kembali atmosfer bumi setelah mengorbit. Perlambatannya sangat dramatis dan menghasilkan begitu banyak panas sehingga benar-benar meledakkan udara di atmosfer, yang memampatkan dan memanas menjadi pancaran plasma yang dapat dilihat bahkan di siang hari.

Disipasi energi potensial bola yang memantul

Sebagai contoh terakhir, kita memiliki apa yang terjadi pada bola karet ketika kita menjatuhkannya ke tanah dari ketinggian tertentu. Pada awalnya, bola memiliki energi potensial karena ketinggiannya. Saat dilepaskan, energi potensial diubah menjadi energi kinetik saat bola menambah kecepatan. Saat menumbuk tanah, energi kinetik diubah menjadi energi potensial elastis saat bola berubah bentuk. Kemudian energi ini dilepaskan dan bola memantul.

Hukum mekanika dan kekekalan energi memprediksi bahwa bola harus memantul kembali ke ketinggian yang sama seperti sebelumnya, tetapi yang kami amati adalah bahwa bola semakin sedikit memantul sampai berhenti di tanah. Proses ini spontan dan disebabkan oleh fakta bahwa energi potensial awal hilang dalam bentuk panas akibat gesekan dengan udara dan karena deformasi plastis pada permukaan tempat ia memantul.

Referensi

Atkins, P., & dePaula, J. (2010). Atkins. Kimia Fisik ( ^edisi ke-8 ). Editorial Medis Panamerican.

Chang, R. (2002). Fisikokimia ( ^edisi pertama ). PENDIDIKAN BUKIT MCGRAW.

proses spontan . (td). SMA AGB. https://www.liceoagb.es/quimigen/termo7.html

Ricardo, R. (2020, 9 September). ▷ Proses spontan : definisi dan contoh . mempelajari. https://estudyando.com/proceso-espontaneo-definicion-y-ejemplos/

UNAM. (td). KRITERIA SPONTANITAS . Departemen Fisikokimia UNAM. http://depa.fquim.unam.mx/~fermor/blog/programas/2010clase1.pdf