Proses Termodinamika dan Termokimia

Referensi : “Prinsip-prinsip Kimia Modern”

Penulis : Oxtoby, Gillis, Nachtrieb

Sejauh apa reaksi kimia?

Reaksi berlangsung hingga mendekati suatu keadaan kesetimbangan, dimana produk dan reaktan yang terpakai keduanya terdapat dalam jumlah yang relatif tertentu banyaknya.

Begitu kesetimbangan terjadi tak ada lagi perubahan komposisi

Kesetimbangan yang terjadi dapat berupa kesetimbangan kimia dan kesetimbangan termodinamika

Pentingnya Termodinamika

Sebuah reaksi dipengaruhi oleh adanya energi (kalor), baik itu kalor mempercepat atau memperlambat reaksi

Eksoterm atau endoterm Termodinamika merupakan konsep yang

paling meyakinkan dalam memahami berbagai hukum-hukum fisika

Ilmu berdasarkan pada sifat-sifat makroskopik (fisik) materi yang dapat diukur

1. Sistem, keadaan dan proses

Definisi penting

Sistem adalah bagian nyata atau khayal dari alam semesta yang dikurung oleh batas-batas atau batasan matematis, memiliki parameter-parameter yang dikontrol

Sistem tertutup adalah sistem yang batas-batasnya tidak dapat dimasuki oleh aliran materi

Definisi penting

Sistem terbuka adalah sistem yang batas-batasnya memungkinkan aliran materi ke luar atau ke dalamnya.

Lingkungan adalah sisa dari semesta yang dapat bertukar energi dengan sistem selama proses yang diamati berlangsung

Semesta termodinamika adalah sistem dan lingkungan sekitarnya untuk suatu proses

Definisi penting

Sifat/parameter ekstensif merupakan sifat yang dapat ditulis dari hasil penjumlahan subsistem

Sifat intensif merupakan sifat yang sama dengan masing-masing subsistem

Keadaan termodinamika kondisi suatu sistem makroskopik yang tak terpengaruh waktu pada kesetimbangan termal dan mekanis yang dicirikan oleh suhu dan tekanan yang terdefinisikan dengan baik

Definisi penting

Proses termodinamika adalah perubahan keadaan termodinamika

Proses reversibel proses yang berlangsung melalui sederet keadaan kesetimbangan dan dapat dibalik dengan perubahan tak berhingga oleh gaya eksternal

Definisi penting

Proses tak reversibel adalah proses yang tidak berlangsung melalui sederetan keadaan kesetimbangan, dan tidak dapat dibalik dengan perubahan tak hingga di bawah gaya eksternal

Fungsi atau keadaan adalah sifat yang secara unik ditetapkan oleh keadaan yang ada dan bukan karena sejarahnya

Definisi penting

Keadaan standar adalah bentuk stabil suatu unsur atau senyawa pada tekanan 1 atm dan suhu tertentu (umumnya 25oC)

BERIKAN CONTOH? SISTEM SISTEM TERBUKA SISTEM TERTUTUP LINGKUNAGN SIFAT EKSTENSIF SIFAT INTENSIF KEADAAN TERMODINAMIKA PROSES TERMODINAMIKA

2. Hukum pertama TERMODINAMIKA

Hukum pertama termodinamika

Perubahan energi (∆E)dalam suatu sistem sama dengan KERJA (w) yang dikenakan padanya plus KALOR (q)

yang diberikan kepadanya

∆E = w + q

Kerja

Kerja merupakan hasil kali antara gaya (F) luar pada suatu benda dengan jarak (r)dimana gaya tersebut bekerja

W = F (rf – ri) Salah satu kerja mekanik yang penting

dalam kimia adalah kerja tekanan volume yang dihasilkan bila suatu gas ditekan atau diekspansi di bawah pengaruh tekanan luar

Kerja tekanan volume

Bila gas dengan tekanan Pi dikurung dalam silinder dengan piston licin yang mempunyai luas potongan melintang A dan massa yang diabaikan. Gaya yang dilakukan gas Fi=Pi A. Tekanan gas luar Peks = Pi maka Fi = 0. ketika gas berekspansi, akan mengangkat piston dari hi ke hf

Kerja yang dilakukan w = ─ Feks (hf – hi)

Kerja tekanan volume

Tanda negatif karena gas berada diluar untuk melawan ekspansi gas yang berada dalam silinder

Persamaanya dapat ditulis dengan w = ─PeksA ∆h

Perkalian A∆h adalah perubahan volume, jadi kerja adalah

w = ─Peks ∆V

Satuan Tekanan volume

Karena merupakan hasil kali P (pascal) dan V (m3) adalah Joule (SI)

Terkadang satuan yang digunakan untuk tekanan adalah atm. Satuannya menjadi L atm

1 L atm = 101,325 J

Kalor

Kalor (q) adalah cara pengalihan energi dari benda panas ke benda yang lebih dingin bila keduanya ditempatkan dan secara termal disentuhkan satu sama lain

Kalor termasuk energi internal yaitu jumlah energi total dari sistem yang disebabkan oleh energi potensial antar molekul-molekul, energi kinetik akibat gerakan-gerakan molekul dan energi kimia yang disimpan dalam bentuk ikatan kimia

Kalor

Kenaikan suhu akan meningkatkan gerakan molekul sesuai dengan besarnya kenaikan suhu

Proses perpindahan panas kadang digambarkan aliran kalor dari benda yang lebih panas ke benda yang lebih dingin sehingga kedua benda nantinya memiliki suhu yang sama

Kalori

Satu kalori didefinisikan sebagai jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu satu gram air dari 14,5oC menjadi 15,5oC (atau dengan kata lain, kapasitas kalor spesifik air, cs pada 15oC didefinisikan sebagai 1,00 kal/Kelvin gram)

q = M cs ∆T, q adalah kalor yang dipindahkan ke benda dengan massa M dengan kapasitas kalor spesifik cs untuk menyebabkan perubahan suhu sebesar ∆T

Hukum pertama termodinamika

Panas dan kerja, keduanya adalah bentuk perpindahan energi ke dalam atau ke luar sistem; mereka dapat dibayangkan sebagai energi dalam keadaan singgah. Jika perubahan energi disebabkan oleh kontak kalor (menyebabkan persamaan suhu), maka kalor dipindahkan. Dalam banyak proses, kalor dan kerja keduanya menembus batas sistem, dan perubahan energi dalam sistem adalah jumlah dari kedua konstribusi itu

Hukum pertama termodinamika

∆E = w + q ∆E = w , jika q = 0 ∆E = q , jika w = 0 qsis = - qling

wsis = - wling

∆Esis = - ∆Eling

∆Esemesta = ∆Esis + ∆Eling = 0, energi total dari termodinamika semesta tidak berubah, energi selalu kekal

3. Kapasitas kalor, entalpi dan kalorimetri

Kapasitas kalor spesifik

Kapasitas kalor spesifik (cs)adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk meningkatkan suhu satu gram zat sebesar satu K pada tekanan tetap

Kapasitas kalor (C) adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu benda sebesar 1 K, baik pada tekanan tetap (Cp) atau pada volume tetap (Cv)

Kapasitas kalor

q = C ∆T Kapasitas kalor molar cv dan cp

adalah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 mol senyawa sebesar 1 kelvin pada volume (cv) atau tekanan tetap(cp)

qv = ncv (T2-T1) = ncv ∆T qp = ncp ∆T

Perpindahan kalor pada volume tetap: kalorimeter bom

Perpindahan kalor pada volume tetap, tak ada kerja tekanan volume yang dilakukan, sehingga perubahan energi internal sama dengan besarnya kalor yang diserap oleh reaksi kimia pada volume tetap, w = 0

∆E = qv Percobaan jarang dilakukan

Perpindahan kalor pada tekanan tetap: entalpi

∆E = qp + w = qp - Pekst ∆V

∆E = qp - P∆V, Pekst = P

qp = ∆E + P∆V

qp = ∆(E + PV), P∆V = PV

H = E + PVqp = ∆(E + PV) = ∆H

∆H = ∆E + P∆V, pada tekanan tetap∆H = ∆E + ∆(PV), pada tekanan berubah

H = entalpi,

4. Termokimia

Entalpi reaksi

Sumber perubahan energi dalam reaksi kimia berasal dari kalor yang berasal atau diambil dari lintasannya suatu reaksi kimia.

Bila CO dibakar dalam oksigen menjadi CO2

CO (g) + ½ O2 (g)→ CO2 (g)

panas dipindahkan dari sistem(bejana) ke lingkungan (kalorimeter). Kalor mempunyai tanda negatif.

Entalpi reaksi

Pengukuran kalor menunjukkan bahwa 1,000 mol CO yang direaksikan sampai habis dengan 0,5 mol O2 pada 25oC dan tekanan tetap 1 atm, menghasilkan perubahan entalpi

∆H = qp = -2,830 x 105 J = -2,830 kJ Bila kalor dilepaskan oleh reaksi (∆H negatif)

dikatakan reaksi eksotermik Bila kalor diambil (∆H positif) disebut

endotermikCO2 (g) → CO (g) + ½ O2 (g) ∆H = + 283,0 kJ

Entalpi reaksi

Dalam persamaan kimia yang balans, jumlah mol reaktan dan produk diberikan oleh koefisien persamaan2 CO2 (g) → 2 CO (g) + O2 (g) ∆H = + 566,0 kJ

Jika dua atau lebih persamaan kimia ditambahkan untuk menghasilkan persamaan kimia lainnya, masing-masing entalpi reaksinya harus ditambahkan

C (s) + O2 (g) → CO2 (g) ∆H1 = -393,5 kJ

CO2 (g) → CO (g) + ½ O2 (g) ∆H2 = +283,0 kJ

C (s) + ½ O2 (g) → CO (g) ∆H3 = ∆H1+∆H2 = -110,5 kJ

Entalpi reaksi

Perhitungan energi ∆E∆E = ∆H - ∆(PV)

∆E = ∆H - ∆(ngRT) = ∆H - RT∆ng

Entalpi dalam keadaan standar

Keadaan standar untuk zat kimia Untuk zat cair dan padat, keadaan standar

adalah keadaan stabil secara termodinamika pada tekanan 1 atm dan suhu tertentu

Untuk gas, keadaan standar adalah fasa gas pada tekanan 1 atm, pada suhu tertentu dan menunjukkan sifat gas ideal

Untuk spesies yang terlarut, keadaan standar adalah 1 M larutan pada tekanan 1atm, pada suhu tertentu dan menunjukkan sifat larutan ideal

Entalpi dalam keadaan standar (∆Ho)

Unsur kimia dalam standar pada 298,15 Kelvin mempunyai entalpi nol

Penetapan entalpi standar dalam bentuk paling stabil dilakukan pada tekanan 1 atm dan suhu 298,15 kelvin

Definisi

Keadaan standar adalah bentuk stabil suatu unsur atau senyawa pada tekanan 1 atm dan suhu tertentu

Entalpi reaksi standar (∆Ho) adalah perubahan entalpi untuk reaksi yang menghasilkan produk dalam keadaan standar, dari reaktan yang juga berada dalam keadaan standar

Definisi

Entalpi pembentuk standar (∆Hof)

adalah perubahan entalpi untuk reaksi yang menghasilkan satu mol senyawa (pada keadaan standar) dari unsur-unsurnya, juga pada keadaan standar mereka

Lihat contoh 7.7

Entalpi ikatan

Reaksi kimia antara molekul-molekul memerlukan pemecahan ikatan yang ada dan pembentukan ikatan baru dengan atom-atom yang tersusun secara berbeda. Para kimiawan telah mengembangkan metode untuk mempelajari spesies antara yang sangat reaktif yaitu spesies yang ikatannya telah pecah dan belum tersusun kembali

Entalpi ikatan

Entalpi ikatan merupakan perubahan entalpi ketika suatu ikatan pecah dalam fasa gas.

Entalpi ini selalu positif sebab kalor harus diberikan ke dalam kumpulan molekul-molekul yang stabil untuk memecahkan ikatannya

Entalpi ikatan relatif konstan walau berasal dari reaksi kimia yang berbeda (lihat halaman 211dan contoh 7.8)

Wassalam

Keberhasilan diraih dengan banyak pengorbanan bukan dengan berleha-leha

TUGAS

LATIHAN KUMULATIF METANOL SEBAGAI PENGGANTI BAHAN BAKAR

SOAL-SOAL NOMOR 3,5,11,12,23,24,25