Kimia dan Termodinamika

Studi sains dimulai untuk semua orang sebagai jejak kecil di hutan ketidaktahuan, tetapi dengan upaya dan pengalaman, jejak itu menjadi jalan raya pribadi kita untuk pengetahuan dan informasi, membuka banyak kemungkinan. Albert Einstein, seperti semua orang lain, memulai di hutan, dan dia menunjukkan bahwa keluar sepadan dengan usaha, tidak hanya untuknya, tetapi untuk semua pengetahuannya bagi umat manusia. Ilmu pengetahuan tidak untuk semua orang dan hanya ada sedikit Einstein. Sayangnya banyak yang tersesat, bingung dan frustrasi, menyerah sebelum mereka bisa mengucapkan “Eureka” pertama mereka, ketika permata pengetahuan jatuh ke tempatnya. Momen-momen “Eureka” itu dapat menggairahkan kita untuk terus menempuh jalan khusus kita.

Jadi langkah pertama adalah termotivasi dan ingin tahu lebih banyak.

Langkah penting berikutnya adalah memperhatikan definisi: sesuatu yang penting di setiap bidang: dalam olahraga Anda harus tahu aturan mainnya: sama untuk sains. Mengetahui definisi menghilangkan kebingungan, dan menerapkannya (memecahkan masalah) memperkuat rumus.co.id mereka. Akhirnya metode ilmiah dan pemikiran menjadi cara hidup, dan memberikan wawasan tentang banyak situasi, bahkan di luar bidang keahlian khusus Anda.

Sebuah struktur muncul. Sebagai contoh, ilmu kehidupan dan kedokteran bersandar pada biokimia dan farmakologi, yang bersandar pada kimia organik, dan organik bergantung pada kimia fisik. Kimia fisik bersandar pada fisika, dan matematika adalah logika yang mengikat semuanya.

Sepanjang jalan ada banyak sela-sela, terlalu banyak untuk disebutkan di sini: materi baru, teknologi nano adalah dua disiplin ilmu yang penting dan terkenal. Juga berbagai bidang tumpang tindih menjadi bidang multi-disiplin, seperti kimia fisik dan organik (kimia fisik-organik); sintesis organik dan kinetika kimia (organokatalisis), kimia anorganik dan organik (kimia organologam): daftarnya terus bertambah.

Jelas tidak ada yang bisa menjadi ahli dalam semua bidang ini. Namun dasar yang baik dalam dasar ilmu fisika memungkinkan seseorang untuk setidaknya berada dalam posisi untuk menghargai karya orang lain di banyak bidang usaha ilmiah. Anda mungkin berakhir sebagai pengacara, pekerja sosial atau di bidang keuangan. Latar belakang yang baik dalam sains akan membantu pengacara memperdebatkan kasusnya, katakanlah, pelanggaran paten; membantu pekerja sosial memahami efek samping dari pengobatan yang mungkin diambil oleh klien, dan memungkinkan pemodal untuk membuat keputusan cerdas tentang apakah akan berinvestasi di satu perusahaan pertambangan atau lainnya.

Di sisi lain, Anda mungkin menjadi ilmuwan yang mengarah ke banyak karier yang menarik.

Ilmuwan dan insinyur

Sains dapat dibagi menjadi dua kategori besar: sains mendasar (penelitian), dan menerapkan ide-ide tersebut (teknik: juga disebut Penelitian dan Pengembangan (R&D)). Saat ini ada sekitar sepuluh kali lebih banyak insinyur daripada ilmuwan. Dibutuhkan lebih banyak usaha dan lebih banyak orang untuk mengambil ide-ide mendasar yang dikembangkan oleh beberapa orang, dan mengubahnya menjadi teknologi yang kami gunakan untuk meningkatkan kualitas hidup kami.

Pikirkan industri otomotif. Mesin pembakaran internal, berdasarkan pada siklus Otto dikembangkan oleh beberapa (yang menunjukkan itu bekerja), dan kemudian banyak insinyur mengambil ide dasar dan lebih dari seratus tahun terakhir mengembangkan mobil yang kita miliki saat ini.

Untuk menjadi insinyur yang baik, Anda harus mulai dengan dasar-dasar dan mempelajari dasar-dasarnya sebelum Anda bisa menerapkannya.

Makroskopik dan mikroskopis

Pembagian ilmu yang luas adalah ke dalam makroskopik (sampel cukup besar yang dapat kita ukur dan periksa), dan mikroskopis (atom, molekul, dan koleksi ini, terlalu kecil untuk diamati secara individual).

Ada dua pilar besar ilmu makroskopis: Termodinamika (studi tentang panas, kerja dan efisiensi), dan Mekanika Klasik (fisika Newton yang menggambarkan gerak benda makroskopik).

Mikroskopik diatur oleh mekanika kuantum.

Karena partikel mikroskopis memiliki banyak simetri, bidang teori kelompok (subjek matematika) harus disebutkan. Ini membantu memvisualisasikan molekul dan reaksi, dan memiliki relevansi khusus dalam sains paling mendasar, yaitu fisika. Anda tidak harus menjadi ahli matematika untuk menggunakan teori grup. Matematika adalah alat ilmuwan: logika menuntun kita.

Bidang Mekanika Statistik mengaitkan objek makroskopik dengan partikel mikroskopisnya.

Contoh kimia

Kimia adalah studi tentang pembuatan dan pemutusan ikatan-yaitu bahan kimia bereaksi untuk membentuk bahan kimia yang berbeda. Reaksi kimia berlangsung jika kondisinya benar: dua kondisi penting adalah energi dan entropi. Keduanya adalah zat dan entropi berwujud energi. Bagaimana ini bisa terjadi?

Para insinyur mulai memperhatikan beberapa ratus tahun yang lalu: seperti kuda yang berjalan dalam lingkaran dan mengendarai mesin untuk membawa meriam. Kuda-kuda berjalan dengan kecepatan konstan, (energi konstan) tetapi sedikit membosankan menghasilkan banyak panas dan tidak banyak pekerjaan (membosankan meriam lambat), tetapi sedikit tajam menghasilkan lebih sedikit panas dan lebih membosankan. Ini adalah Hukum Pertama Termodinamika:

Energi (tenaga kuda) = panas (gesekan) + kerja (meriam).

Jelas energi itu tidak murah (kuda-kuda harus dibeli, diberi makan, dan dirawat), jadi akan lebih baik untuk mengurangi kehilangan panas dan meningkatkan pekerjaan yang dilakukan. Artinya, efisiensi penggunaan energi menjadi pertimbangan penting.

Pada abad ke-19, termodinamika semakin berkembang termotivasi oleh kebutuhan untuk meningkatkan efisiensi mesin uap yang menggerakkan revolusi industri. Mesin uap pertama adalah sekitar 3% efisien sehingga perbaikan pasti diperlukan. Menambahkan silinder kedua, misalnya, meningkatkan banyak hal tetapi mereka bisa berbuat lebih banyak? Mungkinkah impian efisiensi 100% menjadi kenyataan – yaitu gerak abadi?

Hal ini membuat Sadi Carnot pada tahun 1830-an menentukan siklus untuk mesin uap dari mana entropi ditemukan, dan hukum kedua Termodinamika dirumuskan-gerakan abadi terbukti mustahil. Siklus Otto dikembangkan untuk mesin pembakaran internal sekitar empat puluh tahun kemudian.

Meskipun alkimia adalah subjek lama, baru setelah Hukum Termodinamika Pertama dan Kedua dikembangkan, kimia benar-benar lepas landas. Banyak yang terlibat dalam pengembangannya. Selain Sadi Carnot, beberapa nama terkenal adalah James Maxwell, Rudolf Clausius, James Joule, Willard Gibbs dan Ludwig Boltzmann.

Ide-ide yang mereka kembangkan berlaku baik untuk kimia. Ketika ikatan rusak, energi harus ditambahkan ke sistem; dan ketika ikatan terbentuk, energi dilepaskan ke lingkungan. Beberapa reaksi kimia menghasilkan lebih banyak keacakan (entropi lebih tinggi) dan kadang-kadang lebih banyak order (entropi lebih rendah) ketika atom mengatur ulang untuk membentuk produk. Baik energi (panas dan kerja) dan entropi (keacakan) memainkan peran penting dalam spontanitas suatu reaksi kimia.

Berikut ini sebuah contoh. Trinitrotoluene (TNT) dapat meledak (reaksi kimia yang cepat). Dari rumus kimia itu memiliki tiga ikatan nitrogen. Omong-omong, sebagian besar bahan kimia mengandung nitrogen. Pembakaran satu mol TNT melepaskan energi 3.400 kJ mol-1,

C7H5N3O6 (s) + 21/4 O2 (g) à7 CO2 (g) + 5/2 H2O (g) + 3/2 N2 (g) â ???? H = -3.400 kJmol-1

Bandingkan ini, bagaimanapun, dengan energi pembakaran gula sebagai sukrosa (reaksi kimia yang lambat),

C12H22O11 (s) + 12 O2 (g) à12 CO2 (g) + 11 H2O (l) â ???? H = -5,644 kJ mol-1

Sukrosa menghasilkan lebih banyak energi per mol daripada TNT! Jadi mengapa sukrosa juga tidak meledak? Sukrosa terbakar perlahan-lahan relatif terhadap TNT, dengan pelepasan karbon dioksida yang lambat. TNT terbakar sangat cepat sehingga banyak energi dilepaskan dalam waktu singkat. Selain itu, TNT padat menempati volume kecil, tetapi volume akhirnya sama dengan 11 mol gas (sekitar 250 liter di STP). Kerusakan tidak disebabkan oleh panas yang dilepaskan tetapi ekspansi gas yang cepat. Menggunakan Hukum Pertama, energi yang dilepaskan oleh satu mol, (3.400 kJ) menjadi panas tetapi banyak pekerjaan yang dilakukan untuk lingkungan saat gas mengembang, dan ini dapat menyebabkan kerusakan.

Di sinilah entropi masuk. Perhatikan bahwa sisi kanan pembakaran TNT hanya memiliki 21/4 = 5,25 mol gas, sedangkan RHS memiliki 11 mol gas. Ini berarti ada lebih banyak gangguan pada RHS daripada LHS. Jelas ekspansi yang cepat dalam pembakaran TNT dapat menyebabkan kehancuran (itu akan menjatuhkan Humpty Dumpty dari temboknya) dan menyebabkan gangguan yang lebih besar dan karenanya entropi meningkat. Baik energi dan entropi mendukung reaksi ini. Ini tidak selalu terjadi, terutama proses biologis, di mana entropi, bukan energi, adalah kekuatan pendorong utama.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *