Problem Statement:

Organisme harus mendapatkan pasokan energi dari lingkungannya untuk mempertahankan

kehidupan. Organisme autotrofik melakukan metabolisme dengan proses eksergonik

sederhana, contohnya tumbuhan hijau menggunakan energi cahaya matahari. Organisme

heterotrofik mendapatkan energi bebas dengan melakukan metabolisme yaitu pemecahan

molekul organik kompleks. Adenin trifosfat (ATP) berperan sentral dalam pemindahan energi

bebas dari proses eksergonik ke proses endergonik. ATP adalah nukleotida trifosfat yang

mengandun adenin, ribosa, dan 3 gugus fosfat. ATP berfungsi sebagai kompleks Mg2+ pada

reaksinya di dalam sel.

Tujuan :

1. Mengetahui perubahan energi dalam reaksi biokimia.

2. Mengetahui hukum termodinamika dalam sistem biologis.

3. Mengetahui peranan ATP dalam pemindahan energi bebas.

4. Mengetahui perbedaan reaksi eksergonik dan endergonik

4. Dalam bionergetika ini dikenal kaidah termodinamika dala sistem biologis yaitu

hukum pertama dan hukum kedua termodinamika. Apa yang anda ketahui tentang

kedua hukum tersebut?

Termodinamika merupakan studi mengenai transformasi energi yang terjadi pada materi.

Konsep termodinamika pada reaksi bokimia terbatas aplikasinya terutama pada konsep

kesetimbangan termodinamika karena sistem biokimia umumnya terbuka dan berlangsung

pada tekanan, suhu, volume rendah dan tetap. Perpindahan energi pada sel mengikuti hukum

termodinamika.

Hukum I Termodinamika

Hukum pertama termodinamika terkait dengan hukum kekekalan energi dan

mengidentifikasikan perpindahan panas sebagai suatu bentuk perpindahan energi. Pernyataan

umum dari hukum pertama termodinamika adalah “Kenaikan energi dalam suatu sistem

termodinamika sebanding dengan jumlah energi panas yang ditambahkan ke dalam sistem

dikurangi dengan kerja yang dilakukan oleh sistem terhadap lingkungannya. Persamaan hukum

pertama termodinamika adalah:

∆𝑈 = 𝑄 + 𝑊 (1)

∆𝑈 = Perubahan energi dalam

Q = Kalor

W = Kerja

Persamaan (1) juga dapat dinyatakan dalam fungsi turunan seperti berikut ini:

𝑑𝑈 = 𝑑𝑄 − 𝑑𝑊 (2)

Q akan bernilai positif jika panas diserap oleh sistem dan bernilai negatif jika panas

dilepas sistem. W akan bernilai positif jika sistem dikenai kerja dan bernilai negatif jika sistem

melakukan kerja. Panas dapat melakukakan kerja hanya jika panas mengalir dari suatu tempat

dengan suhu tertentu ke tempat lain dengan suhu yang lebih rendah. Sel hidup memiliki suhu

yang relatif sama pada seluruh bagiannya. Sel hidup tidak dapat dimanfaatkan sebagai sumber

panas yang berarti.

Termodinamika memperhatikan hubungan antara sistem dan lingkungan. Energi sistem

adalah jumlah energi kinetik molekul-molekul sistem (energi termal) dan energi potensial

atotm-atom dalam molekul (energi kimia). Hukum pertama termodinamika mengatakan bahwa

energi semesta (Eu) = Es + EL.

Hukum II Termodinamika

Hukum Kedua Termoodinamika dalam konsep entropi mengatakan bahwa sebuah proses

alami yang bermula didalam satu keadaan kesetimbangan dan berakhir dalam satu keadaan

kesetimbangan lain akan bergerak didalam arah yang menyebabkan entropi dari sistem dan

lingkungan semakin besar. Entropi merupakan derajat ketidakteraturan sistem yang akan

meningkat jika proses reaksi yang terjadi berlangsung spontan. Entropi (ΔS) adalah keacakan

suatu sistem yang menjadi maksimum pada saat mencapai keseimbangan. Energi bebas (ΔG)

adalah perubahan energi total dalam sistem. Pada sistem dengan temperatur dan tekanan

konstan, hubungan antara energi bebas (ΔG) dalam suatu sistem reaksi dan perubahan entropi

(ΔS) dinyatakan dengan rumus berikut:

∆𝐺 = ∆𝐻 − 𝑇 ∆𝑆 (3)

Di dalam kondisi reaksi biokimia, karena ΔH kurang lebih sama dengan ΔU, perubahan total

energi internal di dalam reaksi, hubungan di atas dapat diungkapkan dengan persamaan berikut:

∆𝐺 = ∆𝑈 − 𝑇 ∆𝑆 (4)

ΔH = perubahan entalpi

ΔS = perubahan entropi

T = suhu absolut

ΔU = perubahan energi dalam

Jika ΔG bertanda negatif, reaksi berlangsung spontan dengan kehilangan energi bebas

yang dinamakan dengan reaksi eksergonik. Jika ΔG sangat besar, reaksi benar-benar

berlangsung sampai selesai dan tidak bisa membalik (irreversibel). Jika ΔG bertanda positif,

reaksi berlangsung hanya jika memperoleh energi bebas yang disebut reaksi endergonik. Jika

ΔG sangat besar, sistem akan stabil tanpa kecenderungan untuk terjadi reaksi.

Hukum Kedua Termodinamika menyatakan bahwa kalor berpindah dengan sendirinya

dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah, kalor tidak akan berpindah dengan

sendirinya dari benda bersuhu rendah ke benda bersuhu tinggi. Ini menunjukkan adanya arah

dalam aliran kalor. Tidak semua proses di alam semesta adalah reversible.

Peningkatan entropi pada hukum ke-dua termodinamika tidak harus terjadi di dalam

sistem. Peningkatan entropi juga dapat terjadi di tempat lain dalam semesta (dalam arti

lingkungan). Organisme hidup tidak mengalami peningkatan entropo (ketidakteraturan)

internalnya, ketika melangsungkan proses metabolism makanannya. Lingkungan organisme

hidup mengalami peningkatan entropi selama proses kehiupan. Organisme hidup

mempertahankan keteraturan internalnya dengan mengekstrak energi bebas dari makanan yang

berasal dari lingkungan, dan mengembalikan energi tersebut ke lingkungan dalam jumlah yang

sama. Energi yang dikembalikan berupa energi yang tidak berguna bagi sel hidup, dan

menyebar secara acak ketempat-tempat lain di alam semesta.

Soal 5. Apa yang anda ketahui tentang besaran-besaran termodinamika baik besaran

dasar maupun besaran turunan? Dan bagaimana pula penurunan-penurunan

persamaannya? Berikan salah satu contoh perhitungan berkaitan dengan besaran-

besaran tersebut?

Jawaban:

Bersaran pokok pada termodinamika:

1. Suhu (T)

Suhu merupakan derajat panas suatu benda. Skala suhu yang digunakan dalam

perhitungan adalah skala Kelvin.

2. Massa

Satuan dalam SI adalah kilogram.

Bersaran turunan pada termodinamika:

1. Energi potensial

Energi potensial merupakan energi yang dimiliki benda akibat adanya pengaruh tempat

atau kedudukan dari benda tersebut. Persamaan energi potensial adalah sebagai berikut:

𝑃 = 𝑚𝑔ℎ

2. Energi kinetik adalah energi yang dimiliki oleh benda karena gerakannya. Persamaan

energi kinetic adalah sebagai berikut:

𝐾 = 1

2𝑚𝑣2

3. Enthalpi

Enthalpi merupakan jumlah total dari energi potensial dan enegi kinetik. Enthalpi dapat

dinyatakan sebagai jumlah energi dalam dengan perkalian tekanan volume sistem, yang

dapat dinyatakan dengan persamaan berikut ini:

𝐻 = 𝑈 + 𝑃𝑉

Enthalpi tidak dapat dihitung karena tidak memiliki nilai yang absolut,. Perubahan

entalpi persamaan berikut ini:

∆𝐻 = ∆𝑈 + ∆(𝑃𝑉)

4. Entropi

Entropi merupakan derajat ketidakteraturan dalam suatu sistem. Semakin besar

tingkat ketidakteraturan, semakin tinggi entropi. Perubahan entropi dapat dinyatakan

dalam persamaan berikut:

∆𝑆 =∆𝑄

∆𝑇

5. Energi dalam

Energi dalam adalah jumlah energi kinetik molekul-molekul dan energi potensial yang

timbul dengan adanya interaksi antara atom-atom penyusun suatu benda atau makhluk

hidup.

6. Energi Bebas Gibbs

Energi bebas Gibbs digunakan untuk menggambarkan perubahan energi sistem dan

dapat dinyatakan sebagai persamaan (3).

7. Densitas

𝜌 =𝑚

𝑣

8. Tekanan

Satuan tekanan dalam SI adalah pascal (Pa)

9. Koefisien Kompresabilitas

Kompresabilitas adalah ukuran dari perubahan volume relative dari cairan atau padat

sebagai respon terhadap tekanan dan dapat dinyatakan sebagai persamaan berikut:

𝛽 = −(1

𝑉

𝜕𝑉

𝜕𝑝)𝑠

10. Koefisien Ekspansi Isobarik

Koefisien ekspansi isobaric merupakan kecenderungan materi untuk mengubah

volume dalam merespon perubahan suhu dan dapat dinyatakan sebagai berikut:

𝜎𝑣 =1

𝑉(

𝜕𝑉

𝜕𝑝)𝑝 …(11)

11. Kapasitas Panas

Kapasitas panas merupakan kuantitas fisik yang dapat diukur. Kapasitas panas

mendeskripsikan jumlah panas yang dibutuhkan untuk mengubah suhu suatu zat dalam

jumlah tertentu. Kapasitas panas dapat dinyatakan sebagai persamaan berikut:

𝐶 =𝑑𝑄

𝑑𝑇 …(12)

Di dalam termodinamika juga dikenal istilah besaran intensif dan besaran ekstensif.

Besaran intensif adalah besaran yang tidak bergantung pada jumlah partikel. Besaran ekstensif

adalah besaran yang bergantung pada jumlah partikel.

Contoh soal:

Diketahui 100 gr air bersuhu 27°C dihubungkan dengan sesuatu reservoir bersuhu 77°C. Jika

suhu air mencapai 77°C, maka tentukanlah perubahan entropi air (kalor jenis air = 4200J/kg°C)

Diketahui : Massa air = 100 gr = 0,1 kg

T1 = 27 + 273 = 300 K

T2 = 77 + 273 = 350 K

Cair = 4200 J/ kg°C

Ditanya : ∆S = ?

Jawab :

∆𝑆 =∆𝑄

𝑇= ∫ 𝑚 𝐶𝑎𝑖𝑟

𝑑𝑇

𝑇

𝑇2

𝑇1

∆𝑆 = 𝑚 𝐶𝑎𝑖𝑟 ln𝑇2

𝑇1

∆𝑆 = 0,1 𝑥 4200𝑥 ln350

300

∆𝑆 = 63𝐽

𝐾

Jadi perubahan entropi air adalah 63 J/K. Perubahan entropi bernilai positif karena menerima

kalor.

Sumber :

Allan, J.P. 2008. Biophysical Chemistry Ed 1. Singapura : John Wiley & Sons Ltd.

Publish.

Murray Rk, Gramer D.K, Mayers P.A. 2003. Biokimia Harper Ed XXV. Jakarta : EGC

Matthew, C.K and Van Halde. 1996. Biochemistry Ed 2. California: The

Benjamin/cumming Publishing Company, Inc.