Sifat Termodinamika Dalam Sistem Biokimia

Teknologi Bioproses DTK FTUI

Sifat Termodinamika dalam Sistem Biokimia oleh Farah Fauzia (0906640791), kelompok 1

Dalam suatu reaksi biokimia, pasti terjadi perubahan sifat-sifat termodinamika. Hal ini karena reaksi biokimia, sama seperti reaksi lainnya juga melibatkan perubahan energi pada sistem dan lingkungannya. Namun, yang membedakan adalah bahwa pada reaksi biokimia, energi tidak ditransfer dengan menggunakan kalor dan kerja. Hal lainnya adalah bahwa pada reaksi biokimia, sifat reaksinya adalah isotermis atau suhunya tetap. Hal ini mengakibatkan pada reaksi biokimia tidak ada perubahan energi dalam serta entalpi ‘sensible heat’ dari tiap reaktannya. Sifat-sifat termodinamika yang menggambarkan terjadinya perubahan energi dalam suatu reaksi biokimia di antaranya adalah: energi bebas Gibbs, entalpi, dan entropi. Dalam kondisi pada sistem biologi (termasuk suhu dan tekanan konstan), perubahan energi bebas, entalpi, dan entropi secara kuantitatif terkait satu sama lain dengan persamaan: ΔG = ΔH – TΔS

(1)

Dimana ΔG adalah perubahan energi bebas Gibbs, ΔH adalah perubahan entalpi, T adalah suhu (terlihat bahwa suhu bernilai konstan—isotermis), sementara ΔS adalah perubahan entropi. Penjabaran beberapa sifat termodinamika dalam tinjauan sistem biokimia akan dibahas berikutnya secara lebih rinci, dengan penambahan penjelasan mengenai sifat termodinamika tersebut apabila ditinjau dari sistem reaksi kimia yang dihubungkan dengan pengaruhnya terhadap suhu.

1 Bioenergetika — Pemicu II: Aspek Termodinamika dalam Oksidasi Biologi


Energi Gibbs Energi bebas Gibbs (ΔG) mengungkapkan jumlah energi yang mampu melakukan pekerjaan selama reaksi pada suhu dan tekanan konstan. Ketika reaksi tersebut berjalan dengan pelepasan energi bebas (yaitu, ketika perubahan sistem sehingga kurang memiliki energi bebas), maka ΔG bernilai negatif dan reaksi dikatakan eksergonik. Dalam reaksi endergonik, keuntungan sistem energi bebas dan ΔG adalah positif. Reaksi bebas Gibbs yang selama ini dikenal hanya membahas mengenai energi bebas yang mungkin dikeluarkan atau perlu ditambahkan dalam suatu reaksi. Namun, terdapat satu lagi kuantitas yang berhubungan dengan energi bebas Gibbs yang berubah berdasarkan reaksi biokimia yang terjadi. Kuantitas ini disebut energi bebas Gibbs reaksi (ΔGο). Kuantitas ini analog dengan entalpi reaksi, yang membedakan hanyalah bahwa pada energi bebas Gibbs, yang diukur adalah perubahan energi bebas Gibbsnya. Untuk menentukan nilai perubahan energi bebas ∆G dalam suatu rekasi biokimia dapat dilakukan dengan menghitung nilai ∆Go (perubahan energi bebas standar). Hubungan antara G° dan G pada suhu dan tekanan yang tetap ditunjukkan dengan persamaan berikut untuk suatu reaksi aA+bB ↔ cC+dD: G = G° + RT 1n K

(2)

G = G° + RT 1n

(3)

Dengan K merupakan konstanta kesetimbangan. Pada reaksi biokimia, nilai entropi total selalu meningkat. Sementara itu untuk reaksi biokimia, nilai entalpi reaksi dan energi bebas reaksi adalah tergantung pada jenis reaksi yang terjadi.

Dalam keadaannya di suatu reaksi kimia, energi bebas Gibbs dapat dikaitkan dengan perubahan temperatur. Diketahui bahwa persamaan energi bebas Gibbs adalah sebagai berikut: (4)



Energi bebas Gibbs seperti diketahui digunakan untuk mengetahui kespontanan dari suatu reaksi. Pada umumnya, suatu reaksi akan lebih spontan ketika suhu meningkat. Suatu reaksi akan menjadi lebih spontan apabila nilai energi bebasnya negatif. Oleh karena itu, dapat diduga bahwa secara umum nilai energi bebas Gibbs akan menurun (menjadi negatif) apabila suhu dinaikkan.

Entalpi Entalpi (ΔH) adalah konten panas dari sistem yang bereaksi. Entalpi dihubungkan dengan reaksi kimia spesifik tergantung pada temeratur dari reaktan dan produk. Hal ini mencerminkan jumlah dan jenis ikatan kimia di reaktan dan produk. Ketika reaksi melepaskan panas, reaksi dikatakan eksotermis, konten panas dari produk yang kurang dari reaktan dan memiliki ΔH dengan konvensi sebuah nilai negatif. Sistem yang reaksinya menerima panas dari lingkungan, bersifat endotermis, dan memiliki nilai-nilai positif ΔH. Dikenal berbagai macam entalpi, di antaranya adalah entalpi pembentukan (ΔHf) dan entalpi pembakaran (ΔHc). Walaupun dalam reaksi biokimia tidak merubah nilai entalpi ‘sensible heat’, namun, entalpi reaksinya berubah. Hal ini karena dalam reaksi biokimia pasti dihasilkan produk atau senyawa yang memiliki entalpi pembentukan standar yang berbeda dengan entalpi reaktan awal. Persamaan entalpi reaksi adalah sebagai berikut: (5) Perubahan entalpi oleh reaktan ini mengakibatkan nilai entalpi reaksi selalu berubah. Termasuk untuk reaksi biokimia yang isotermis.



Dalam tinjauannya untuk suatu reaksi kimia, entalpi dapat dikaitkan dengan suhu. Diketahui bahwa energi dalam (U) dari suatu sistem akan meningkat beserta dengan peningkatan suhu. Hal ini terjadi karena ketika suhu meningkat, maka energi kinetik dari tiap molekul menjadi meningkat. Hal ini diakibatkan karena ketika suatu zat dipanaskan, maka tiap molekul akan bergerak lebih kencang sehingga memiliki energi kinetik yang lebih tinggi. Hal ini dapat dibuktikan secara matematis dengan persamaan: ∫

(6)

Dari persamaan tersebut terlihat bahwa ΔU akan positif (energi dalam meningkat) jika suhu naik. Begitu juga dengan entalpi suatu reaksi. Pada suatu reaksi yang menaikkan suhu sistem, perubahan entalpi produk akan meningkat. Seperti yang terlihat pada persamaan entalpi sensible heat berikut: ∫

(7)

Entropi Entropi (ΔS) adalah ekspresi kuantitatif untuk keacakan atau gangguan dalam suatu sistem. Ketika produk reaksi kurang kompleks dan lebih teratur daripada reaktan, reaksi dikatakan bisa untuk melanjutkan dengan memperoleh entropi. Suatu reaksi hanya dapat berlangsung spontan jika perubahan entropi total adalah positif. Kenyatannya adalah entropi total dari suatu sistem adalah selalu positif. Bahkan untuk reaksi biokimia yang isoterm, walaupun tidak terjadi perubahan suhu yang meningkatkan keacakan pergerakan molekul, namun dalan reaksi biokimia tidak ada satu pun reaksi yang efisien 100%. Contohnya, pembakaran glukosa hanya punya efisiensi sekitar 36%. Oleh karena itu, berdasarkan hukum Termodinamika II, bahwa setiap reaksi yang tidak 100% efisien akan menghasilkan energi yang terbuang sebagai entropi. Sehingga, semua reaksi biokimia pasti meningkatkan entropi total, baik entropi sistem ataupun lingkungan.



Dalam tinjauan suatu reaksi kimia, entropi dari suatu sistem akan meningkat seiring penambahan temperatur sistem. Secara sedehana hal ini disebabkan oleh suatu alasan yang sama dengan efek kenaikan temperatur pada energi dalam dan entalpi, yaitu peningkatan kecepatan atau kelajuan dari molekulmolekul sistem. Disamping meningkatkan energi kinetik dari molekul yang secara general meningkatkan energi dalam sistem, penambahan suhu ini juga meningkatkan keacakan dari gerak tiap molekul. Ketika suhu dinaikkan, molekulmolekul berotasi dan bervibrasi kian acak. Keacakan yang meningkat sekaligus juga berarti meningkatkan entropi sistem, karena entropi berarti keacakan sistem. Dari persamaan berikut dapat dilihat bahwa nilai entropi (ΔS) adalah berbanding lurus dengan nilai ln T2/T1. (8) Hal ini punya pengertian bahwa nilai ΔS akan meningkat bila suhu akhir (T 2) juga ikut naik.



DAFTAR PUSTAKA Smith, J.M, H.C Van Ness dan M.M Abbott. Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics 6th Edition. Singapore: McGraw-Hill. 2001. Haynie, Donald T. Biological Thermodynamics 2nd Edition. New York: Cambridge Universitu Press. 2008.


Sifat Termodinamika Dalam Sistem Biokimia

Recommend Documents