Energi, kontribusi dan kuantisasi

Konsep sentral dari semua penjelasan dalam fisika-kimia, seperti dalam banyak jenis ilmu lain tentang fenomena alam, adalah energi. Secara umum, energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha. Anda juga harus menggunakan hukum alam yang tampaknya universal bahwa energi adalah kekal, yaitu tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan.

Selain itu, meskipun memungkinkan untuk mentransfer energi dari satu tempat ke tempat lain (seperti ketika listrik yang dihasilkan di pembangkit listrik memanaskan daya tahan dapur kita hingga ribuan kilometer dan memungkinkan kita untuk memanaskan air misalnya), energi total dalam sistem adalah konstan.

Kontribusi untuk energi

Ada dua kontribusi terhadap energi total suatu sistem oleh materi yang dikandungnya. Energi kinetik (K) suatu benda adalah energi yang dimilikinya sebagai akibat dari gerakannya. Untuk benda bermassa m yang bergerak dengan kecepatan v, energi kinetiknya adalah 1/2 (mv2); jadi benda “berat” yang bergerak cepat memiliki energi kinetik yang tinggi. Sebuah benda yang diam memiliki energi kinetik nol. Energi potensial suatu benda adalah energi yang dimilikinya karena kedudukannya.

Nol energi daya adalah arbitrer. Misalnya, energi potensial gravitasi nol dari suatu benda ditempatkan dengan nyaman di permukaan bumi; energi potensial listrik dari dua partikel bermuatan dianggap nol ketika jarak yang memisahkannya tidak terbatas.

Tidak ada ekspresi energi potensial yang dapat didalilkan karena bergantung pada jenis interaksi yang dialami tubuh. Sementara itu, ada dua jenis interaksi yang sangat umum yang memberikan ekspresi sederhana untuk energi potensial. Salah satunya adalah energi potensial benda bermassa m dalam medan gravitasi yang dekat dengan permukaan bumi (medan gravitasi bekerja pada massa benda). Jika suatu benda berada pada ketinggian tertentu h dari permukaan bumi, maka energi potensialnya adalah mgh, dimana g adalah konstanta yang disebut percepatan jatuh bebas (g = 9,81 m s-2 dekat dengan permukaan bumi ).

Juga, yang sangat penting untuk kimia adalah energi potensial dari dua benda bermuatan listrik ketika saling berdekatan (medan listrik bekerja pada muatan yang dimiliki benda tersebut). Jika sebuah partikel (benda dengan massa titik) bermuatan q1 berada pada jarak r dalam ruang hampa dari partikel lain yang bermuatan q2, maka energi potensialnya akan diberikan oleh ekspresi V = (q1.q2) / (4p E0r). 

Konstanta E0 adalah kebolehan vakum, konstanta fundamental bernilai 8,85 X 10-12 C2J-1m-1. Penting untuk dicatat bahwa V = 0 ketika pemisahan antara partikel tidak terbatas.

Hubungan penting ini disebut energi potensial Coulomb dan interaksi yang digambarkannya disebut interaksi coulomb dua muatan. Interaksi coulombik penting dalam kimia karena kebutuhan konstan untuk menangani interaksi antara muatan elektron, inti, dan ion.

Satuan pengukuran energi dalam Sistem Internasional (SI) adalah Joule, yang didefinisikan sebagai 1 J = 1 kg m2s-2.

Kuantisasi Energi

Revolusi besar dalam fisika yang terjadi pada dekade pertama abad ke-20 dan memperkenalkan mekanika kuantum sangat penting bagi kimia. Kimia berkaitan dengan perilaku partikel subatomik, khususnya elektron, dan mekanika kuantum harus digunakan ketika berhadapan dengan partikel kecil seperti itu.

Sifat mekanika kuantum yang membedakannya dari mekanika klasik Newton dan penerus langsungnya adalah perilaku gelombang materi, yaitu kebalikan dari partikel dan gelombang menjadi entitas yang berbeda, partikel memiliki beberapa sifat Gelombang dan gelombang memiliki beberapa sifat partikel.

Misalnya, jika sebuah partikel memiliki gerak linier p (produk dari massa dan kecepatannya, p = mv), maka menurut mekanika kuantum ia juga memiliki (dalam arti tertentu) panjang gelombang lambda sesuai dengan hubungan Broglie di mana lambda = h / p, di mana h adalah konstanta Planck, konstanta fundamental yang nilainya 6,6 X 10-34 J s.

Sifat lain dari mekanika kuantum adalah bahwa energi terkuantisasi, atau terbatas pada nilai-nilai diskrit tertentu. Keadaan energi ini disebut tingkat energi dan nilainya bergantung pada spesies kimia.

Kuantisasi energi lebih penting, dalam arti bahwa energi yang diizinkan sangat berjauhan, untuk partikel dengan massa kecil yang terbatas pada daerah kecil di ruang angkasa.

Akibatnya, kuantisasi sangat penting untuk elektron dalam atom dan molekul, tetapi biasanya tidak memiliki relevansi untuk benda makroskopik.

Related Posts