UTS BKM_ENERGI BEBAS DAN ENTROPI

A. Energi Bebas Helmholtz

        Energi bebas Helmholtz adalah besar potensial termodinamika yang digunakan untuk mengukur kerja yang dapat dimanfaatkan pada sebuah sistem termodinamika tertutup dengan kondisi Tekanan (P) dan Suhu (T) yang konstan.

B. Energi Bebas Gibbs

        Energi bebas Gibbs adalah fungsi kunatitas termodinamika yang menyatakan hubungan antara entalpi, entropi dan suhu dari sebuah sistem. Fungsi Gibbs dinyatakan sebagai

Entalpi dan Entropi dari persamaan di atas adalah fungsi keadaan, dengan demikian, Energi bebas Gibs juga fungsi keadaan yakni dari keadaan awal samapi akhir proses berlangsung. Entalpi adalah proses yang terjadi pada kondisi isotermis sehingga G juga berada pada tekanan yang tetap. Kondisi selanjutnya disebut dengan dengan kondisi bebas dari suatu sistem atau energi Gibbs.

C. Entropi

        Entropi adalah salah satu besaran termodinamika yang mengukur energi dalam sistem per satuan temperatur yang tak dapat digunakan untuk melakukan usaha. Mungkin manifestasi yang paling umum dari entropi adalah (mengikuti hukum termodinamika), entropi dari sebuah sistem tertutup selalu naik dan pada kondisi transfer panas, energi panas berpindah dari komponen yang bersuhu lebih tinggi ke komponen yang bersuhu lebih rendah. Pada suatu sistem yang panasnya terisolasi, entropi hanya berjalan satu arah (bukan proses reversibel/bolak-balik).

Entropi suatu sistem perlu diukur untuk menentukan bahwa energi tidak dapat dipakai untuk melakukan usaha pada proses-proses termodinamika. Proses-proses ini hanya bisa dilakukan oleh energi yang sudah diubah bentuknya, dan ketika energi diubah menjadi kerja/usaha, maka secara teoretis mempunyai efisiensi maksimum tertentu. Selama kerja/usaha tersebut, entropi akan terkumpul pada sistem, yang lalu terdisipasi dalam bentuk panas buangan.

Pada termodinamika klasik, konsep entropi didefinisikan pada hukum kedua termodinamika, yang menyatakan bahwa entropi dari sistem yang terisolasi selalu bertambah atau tetap konstan. Maka, entropi juga dapat menjadi ukuran kecenderungan suatu proses, apakah proses tersebut cenderung akan "terentropikan" atau akan berlangsung ke arah tertentu. Entropi juga menunjukkan bahwa energi panas selalu mengalir secara spontan dari daerah yang suhunya lebih tinggi ke daerah yang suhunya lebih rendah. Entropi termodinamika mempunyai dimensi energi dibagi temperatur, yang mempunyai Satuan Internasional joule per kelvin (J/K).

D. Kesetaraan Jarzynski

        Persamaan Jarzynski adalah persamaan dalam mekanika statistik yang menghubungkan perbedaan energi bebas antara dua keadaan dan kerja ireversibel sepanjang rangkaian lintasan yang menghubungkan keadaan yang sama. Dinamai setelah fisikawan Christopher Jarzynski (saat itu di Universitas Washington dan Laboratorium Nasional Los Alamos, saat ini di Universitas Maryland) yang menurunkannya pada tahun 1996. Pada dasarnya, persamaan Jarzynski menunjukkan fakta bahwa fluktuasi pekerjaan memenuhi kendala tertentu secara terpisah dari nilai rata-rata pekerjaan yang terjadi dalam beberapa proses.

        Persamaan Jarzynski berlaku ketika keadaan awal adalah distribusi Boltzman (misalnya sistem dalam kesetimbangan) serta sistem dan lingkungan dapat dijelaskan oleh sejumlah besar derajat kebebasan yang berkembang di bawah dinamika Hamiltonian yang berubah-ubah. Keadaan akhir tidak perlu berada dalam keseimbangan. (Misalnya, dalam kasus buku teks tentang gas yang dikompresi oleh piston, gas diseimbangkan pada posisi piston A dan dikompresi ke posisi piston B; dalam persamaan Jarzynski, keadaan akhir gas tidak perlu diseimbangkan pada saat ini. posisi piston baru).

E. Tekanan Osmotik

        Tekanan osmotik adalah tekanan yang dibutuhkan untuk mempertahankan kesetimbangan osmotik antara suatu larutan dan pelarut murninya yang dipisahkan oleh suatu membran semipermeabel yang dapat ditembus hanya oleh pelarut tersebut. Dengan kata lain, tekanan osmotik adalah tekanan yang diperlukan untuk menghentikan osmosis.

    Osmosis terjadi ketika dua larutan dengan konsentrasi pelarut yang berbeda dipisahkan menggunakan sebuah membran. Molekul pelarut kemudian melewati membran semipermeabel dari larutan dengan konsentrasi rendah ke larutan yang lebih pekat. Perpindahan ini akan terus terjadi hingga tercapainya kesetimbangan.

        Penghitungan tekanan osmotik digunakan untuk menentukan massa relatif suatu molekul. Selain itu, tekanan osmotik juga cukup memengaruhi sel. Osmoregulasi merupakan mekanisme homeostatis dari organisme untuk mencapai tekanan osmotik yang setimbang.

• Hipertonisitas adalah keberadaan suatu larutan yang menyebabkan sel mengkerut.

• Hipotonisitas adalah keberadaan suatu larutan yang menyebabkan sel mengembang.

• Isotonisitas adalah keberadaan suatu larutan yang tidak menyebabkan perubahan pada volume sel.

        Ketika sel berada dalam lingkungan hipotonis, air akan memenuhi interior sel dengan berpindah dari lingkungan menuju sel melalui membran sel. Pada sel tumbuhan, dinding sel mencegah pengembangan sel akibat osmosis. Akibatnya, dinding sel menerima tekanan yang disebut tekanan turgor. Tekanan turgor menjaga tumbuhan untuk tetap berdiri tegak dan mengatur seberapa besar bukaan stomata. Pada sel hewan, tekanan osmotik yang terlalu besar dapat menyebabkan sitolisis.

        Tekanan osmotik juga merupakan dasar dari salah satu metode penyaringan air yang disebut osmosis terbalik (reverse osmosis). Metode ini dilakukan dengan menempatkan air ke dalam sebuah tangki kemudian memberikannya tekanan. Tekanan yang diberikan lebih besar daripada tekanan osmotik air dan zat terlarutnya. Beberapa bagian dalam tangki kemudian dibuka untuk mengalirkan molekul air, namun tidak dengan partikel terlarutnya.

F. Aplikasi Medis Dialisis

        Dialisis adalah proses perpindahan molekul terlarut dari suatu campuran larutan yang terjadi akibat difusi pada membran semi-permeabel. Molekul terlarut yang oke berukuran lebih kecil dari pori-pori membran tersebut dapat keluar, sedangkan molekul lainnya yang lebih besar akan tertahan di dalam kantung membran. Selulosa adalah salah satu jenis materi penyusun membran dialisis yang cukup umum dipakai karena bersifat inert untuk berbagai jenis senyawa atau molekul yang akan dipisahkan.

Laju difusi ditentukan oleh beberapa kondisi:

• Konsentrasi molekul pelarut yang akan keluar dari kantung dialisis. Jika konsentrasi molekul terlarut di lingkungan lebih kecil dibandingkan dengan yang ada di dalam kantung dialisis maka laju difusi akan semakin cepat.

• Luas permukaan kantung dialisis. Semakin luas permukaan membran yang digunakan maka laju difusi akan semakin cepat.

• Volume pelarut. Jika rasio luas permukaan membran dengan volume pelarut besar maka laju difusi akan berlangsung dengan cepat karena molekul terlarut dapat berdifusi dalam jarak yang dekat.

        Metode dialsis banyak digunakan dalam pemurnian protein (terutama enzim). Dalam proses ini, dialisis digunakan untuk menghilangkan molekul garam, seperti amonium sulfat, sebelum dilanjutkan dalam proses pemurnian berikutnya ataupun pada tahap akhir pemurnian. Dialisis juga banyak digunakan dalam proses pencucian darah pada pasien penderita gagal ginjal. Untuk kasus ini, peranan ginjal untuk menghilangkan senyawa beracun, garam dan air berlebih digantikan dengan sistem buatan.

  Hemodialisis adalah metode pencucian darah dengan menggunakan mesin, sedangkan dialisis peritoneal menggunakan membran peritoneal yang berlokasi di daerah perut untuk menggantikan peranan ginjal. Prinsip dialisis darah adalah menempatkan darah berdampingan dengan cairan dialisat atau pencuci yang dipisahkan oleh suatu membran atau selaput semi permeabel. Seseorang yang mengalami gagal ginjal dapat disarankan untuk melakukan hemodialisis rutin. Pasien yang sedang menjalani hemodialisis akan diambil darahnya melalui arteri tangan. Darah dialirkan ke mesin dialisis yang didalamnya terdapat dialiser. Dialiser berperan sebagai ginjal yang memfiltrasi darah. Dialiser diisi dengan elektrolit sesuai dengan kondisi pasien, sehingga terbentuk gradien konsentrasi yang sesuai. Gradien konsentrasi ini menyebabkan zat-zat sisa seperti kreatinin dan urea berdifusi keluar dari darah. Darah yang telah mengalami dialisis akan dikembalikan ke tubuh pasien melalui vena tangan.