iqmal kf1 04 energi dan hukum termodinamika ke satu

10/18/2012

1

LABORATORIUM KIMIA FISIKAJurusan Kimia - FMIPAUniversitas Gadjah Mada (UGM)

TERMODINAMIKA KIMIA (KIMIA FISIK 1 )Hukum Termodinamika Pertama

Drs. Iqmal Tahir, M.Si.

Laboratorium Kimia Fisika,, Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta, 55281

Tel : 087 838 565 047; Fax : 0274-545188 Email :

[email protected] atau [email protected]

Website :http://iqmal.staff.ugm.ac.id

http://iqmaltahir.wordpress.com

James Prescoutt JouleJames Prescott Joule (1818-1878) Merupakan saintis yang pertama kali merumuskan hukumpertama termodinamika.Saat umur 14 tahun sudah belajarkimia dari John Dalton. Sejak tahun1838, Joule telah menerbitkan paper pertamanya.

LABORATORIUM KIMIA FISIKAJurusan Kimia – FMIPA, UGM

Kerja keras dan perhatian padaprinsip kekekalan energi menjadikanpertimbangan untuk dipilih sebagaitokoh utama ilmu fisika abad 19.

Konsep dasar : Sistem terbuka dan tertutupBerdasarkan jenis pertukaran materi dan energi yang terjadiantara sistem dan lingkungan:

1. Sistem terisolasi: tak terjadi pertukaran panas, benda atau kerja dengan lingkungan. Contoh dari sistem terisolasi adalah wadah terisolasi, seperti tabunggas terisolasi.


2. Sistem tertutup: terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran benda dengan lingkungan. Rumah hijauadalah contoh dari sistem tertutup di mana terjadi pertukaran panastetapi tidak terjadi pertukaran kerja dengan lingkungan.

3. Sistem terbuka: terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) danbenda dengan lingkungannya. Sebuah pembatas memperbolehkanpertukaran benda disebut permeabel. Samudra merupakan contohdari sistem terbuka.

Konsep dasar : KerjaKerja : adalah proses transfer energi yang menghasilkan perubahanketinggian sebuah beban pada suatu tempat di lingkungannya.

Contoh :• Gas yang mendorong keluar pengisap silinder.• Meregangkan seutas karet• Memutar pegas


• Mengalirkan arus listrik pada sebuah tahanan

Konsep dasar : KerjaPerhitungan kerja :

• Kerja (w) = gaya (f) . Jarak (L)


W positif jikakerja diberikan kedalam sistem

W negatif jikakerja dilakukanoleh sistem

Kerja(a) Kerja positif.

Kerja yang dilakukan padasistem oleh lingkungan. Padagambar terlihat jika penahandilepas maka sistem akanterkompresi menghasilkankeadaan kesetimbangan baru.


(b) Kerja negatifKerja dilakukan pada lingkunganoleh sistem. Jika penahan dilepasmaka sistem mengembangsampai keadaan kesetimbanganbaru.

10/18/2012

2

Konsep dasar : Energi dan KalorEnergi : Kapasitas sistem untuk melakukan kerja.

Jika kita melakukan kerja pada sistem yang terisolasi, artinya kitamenambah kapasitasnya untuk melakukan kerja, sehingga menambahenerginya.Jika sistem melakukan kerja, energinya berkurang karena sistem itudapat melakukan kerja lebih sedikit dari sebelumnya.


Energi sistem dapat diubah dengan cara berbeda dengan kerja itusendiri. Jika energi sistem berubah sebagai hasil perbedaan antaratemperatur sistem dan temperatur lingkungannya, dikatakan bahwaenergi sudah dipindahkan sebagai Kalor.

Konsep dasar : Transfer kalorProses eksotermis: proses pelepasan energi sebagai kalor.Contoh : Reaksi pembakaran


Proses endotermis: proses yang menyerap energi sebagai kalor.Contoh : Penguapan air

Konsep dasar : Transfer kalorDalam wadah adiabatis :Proses endotermis akan menghasilkanpenurunan temperatur sistem.Proses eksotermis akan menghasilkankenaikan temperatur sistem.


Dalam wadah diatermis pada kondisiisoterm:Proses endotermis akan menghasilkanaliran energi ke dalam sistem sebagaikalor.Proses eksotermis akan menghasilkanpembebasan energi sebagai kalor kedalam lingkungannya.

Konsep dasar : KalorPada konteks molekuler, proses pemanasan adalah pemindahanenergi yang menggunakan perbedaan gerakan termal.

Gerakan termal : gerakan molekul acak yang terjadiantara sistem dan lingkungannya.

Ketika energi ditransfer ke lingkungan sebagai panas, maka transfer akan

ti l i k t t


menstimulasi gerakan atom-atom secara acak. Transfer energi dari lingkungan ke sistem terjadi dengan menggunakan gerakan acak dalam lingkungan tersebut.

Konsep dasar : KerjaPada konteks molekuler, kerja adalah pemindahan energi yang menggunakan gerakan teratur.

Jika sebuah beba dinaikkan atau diturunkan, maka atom-atomnya bergerak denganteratur.

Ketika sistem melakukan kerja, maka sistem akan menstimulasi gerakan yang teratur pada partikel-partikel di lingkungan.

S b i t h d b i t k


Sebagai contoh pada gambar, sistem akan menggerakkan atom-atom atau elektron dalam lingkungan secara teratur.

Energi DalamEnergi dalam, U : Energi total dari suatu sistem.

Istilah lain : energi dakhil, energi internal.

Nilai mutlak energi dalam (U) suatu sistem tidak mungkin diketahui, yang diketahui adalah ukuran perubahan pada energi dalam (ΔU).Nilai ΔU untuk perubahan energi dalam jika suatu sistem berubah darikeadaan awal I dengan energi dalam Ui menjadi keadaan akhir f dengan energi dalam U adalah :


dengan energi dalam Uf adalah :ΔU = Uf - Ui

Energi dalam adalah sifat keadaan :Artinya nilai energi dalam bergantung hanya pada keadaan akhirsistem dan tidak bergantung pada cara pencapaian keadaan itu.Contoh : 1 L sampel hidrogen pada 500 K dan 10 atm, mempunyaienergi dalam yang sama, bagaimanapun cara mengadakan hidrogenitu.

10/18/2012

3

Energi DalamEnergi dalam, U, termasuk sifat ekstensif : Yaitu sifat yang tergantung pada kuantitas (ukuran, luas) dari sistem).Contoh :2 kg air akan memiliki energi dalam sebesar dua kali energi dalam 1 kg air.

T b h


Tambahan :Sifat intensif : Yaitu sifat yang tidak tergantung pada kuantitas(ukuran, luas) dari sistem).Contoh :Temperatur, rapatan, tekanan, volume molar, energi molar (energidalam untuk setiap satu mol-nya)

Energi DalamEnergi dalam, U, kalor, kerja semua diukur dalam satuan Joule (J)

1 J = 1 kg.m2.det-2

Contoh : sebuah massa 2 kg yang bergerak dengan laju 1 m.det-1 akanmempunyai energi kinetik :

½ mv2 = ½ . 2 kg . (1 m.det-1)2 = 1 kg.m2.det-2 = 1 J

D l k b k k i di k d ib J t


Dalam kebanyakan kasus sering digunakan order ribuan J ataukilojoule :

1 kJ = 103 JPerubahan pada energi dalam molar ditulis dalam satuan kJ.mol-1 danuntuk perubahan kimia umumnya berada pada order sekitar 100 kJ.mol-1.

Hukum kekekalan energiDua sifat energi dalam :1. Energi dalam pada sistem yang terisolasi adalah tetap.

hukum kekekalan energiKonsekuensi : - Adalah mustahil untuk membuat mesin yang bergerak secaraterus menerus tanpa bahan bakar.- adalah mustahil untuk menciptakan (atau memusnahkan) energi.


2. Bahwa oleh karena kita bisa tahu cara perpindahan energi makasistemnya tutup mata terhadap cara yang dipakai.Energi sistem bisa diubah dalam bentuk kalor dan kerja yang setara.

Hukum Pertama TermodinamikaEnergi dalam, U, dari suatu sistem besarnya tetap, kecuali jikadiubah dengan melakukan kerja atau dengan pemanasan.

Secara matematik

ΔU = q + w

Dengan :


gw : kerja yang dilakukan pada sebuah sistemq = untuk energi yang dipindahkan sebagai kalor pada sistem tersebut.

Untuk sistem terisolasi karena tidak ada energi yang dapat keluarmaka nilai ΔU = 0.

Pendefinisian tanda arah

Tanda positif diberikan jika w atau q masuk ke dalam sistem.

Energi yang keluar dari sistem dalambentuk kerja (w) atau panas (q) yang

Sistem


q

Menyumbang kepada energidalam (dU = dw + dq)

dikeluarkan sistem maka memilikitanda negatif.Sebagai akibatnya adalahmenyumbang kepada penguranganenergi dalam.

Contoh :1. Sebuah motor listrik menghasilkan 15 kJ energi setiap detik sebagaikerja mekanik dan kehilangan 2 kJ sebagai panas pada lingkungannya. Berapa perubahan energi dalam motor dan persediaan dayanya setiapdetik ?

Jawab :Karena energi hilang dari sistem maka w negatif (w = -15 kJ) danenergi juga hilang sebagai kalor maka q jadi negatif (q = -2 kJ),


2. Jika sebuah pegas diputar, kerja 100 J dilakukan terhadapnya, tetapi15 J terlepas ke lingkungannya sebagai kalor. Berapa perubahanenergi dalam pegas tersebut?

sehingga :ΔU = q + w

= (-2 kJ) + (-15 kJ)= -17 kJ

10/18/2012

4

Intermezzo:Mesin gerakan perpetual (perpetual motion machine)


Tidak mungkin terbentuk !!!ΔU = q + w

Pernyatan formal hukum pertamaKerja yang diperlukan untuk mengubah suatu sistem adiabatikdari satu keadaan ke keadaan lain adalah sama, bagaimanapunkerja yang dilakukan

Contoh :Dalam sistem adiabatik, kenaikan temperatur yang sama dihasilkan olehsejumlah kerja yang sama, apapun jenisnya, yang dilakukan pada sebuahsistem.


Jika kita melakukan 1 kJ kerja mekanis (melalui pengadukan) atau 1 kJ kerjalistrik (dengan aliran listrik pada pemanas) dan sebagainya, makan akandihasilkan kenaikan temperatur yang sama.

Kerja (wad) tidak tergantung jalan fungsi keadaan.Dalam hubungan dengan energi dalam :

wad = Uf – Ui = ΔUDari sini perubahan energi dalam dapat diukur sebagai kerja yang diperlukanuntuk menghasilkan perubahan dalam suatu sistem adiabatik.

Definisi mekanik dari kalorDalam sistem diatermik (terdapat kontak termal denganlingkungannya), ternyata terdapat perbedaan antara kerja yang dilakukan dibandingkan dengan pada sistem adiabatik. Perbedaan inididefinisikan sebagai kalor yang diserap dalam proses :

q = wad - w

Mengingat ΔU (secara definisi) sama dengan wad, maka ungkapanuntuk energi yang dipindahkan ke sistem sebagai kalor adalah :


untuk energi yang dipindahkan ke sistem sebagai kalor adalah :q = ΔU - w

Pada level perubahan yang sangat kecil maka perubahan energi dalamdinyatakan sebagai dU, perubahan kecil dari kerja sebagai dw, dam energi yang diberikan padanya sebagai kalor dq, maka :

dU = dq + dw

Kerja MekanisDidefinisikan sebagai kerja yang dilakukan untuk menggerakkan obyeksepanjang jarak dz melawan gaya yang menentangnya F. Kerja mekanis :

dw = - F.dzTanda negatif menunjukkan jika sistem menggerakkan obyek melawan gaya F.

Kerja mekanis total yang dilakukan sistem menggerakkan dari obyek z1 ke z2adalah jumlah semua sumbangan sangat kecil di sepanjang jalannya:


Jika gaya tersebut tidak tergantung pada posisinya dan mempunyai nilaikonstan di manapun pada jalan itu, maka diperoleh :

w = - (z2 – z1) FPada kasus medah gravitasi, untuk massa m pada permukaan bumi, gayayang menentang pengangkatan sama dengan berat m.g, (dengan g percepatan jatuh bebas, 9.81 m.det-2) dan (z2 – z1) sebagai ketinggian h, maka

w = - m . g . h

Kerja EkspansiJika memauai melalui jarak dz, sistem menaikkanbeban peks.A melalui jarak dz, sehingga kerja yang dilakukan

dw = - peks. A . dz

Nilai A . dz adalah volume yang ditinggalkanselama pemuaian dan dituliskan sebagai dV.Dengan demikian kerja yang dilakukan jika sistem


memuai melalui dV melawan tekanan tetap peksadalah :

dw = - peks . dV

Berbagai jenis kerja lain


10/18/2012

5

Kerja ekspansi gas idealUntuk jumlah gas ideal jumlah kerja maksimum yang dihasilkan pada ekspansi atau kerja minimum yang hilang pada kompresi akan sama besarnya yaitu pada daerah yang diarsir pada gambar. Kerja maksimum atau kerja minimum dalam isoterm dapat ditentukan dengan harga P = n RT/V. dengan memakai persamaan


∫=f

i

V

Vm pdVW

maka :

∫ ∫ ===f

i

f

i

V

V

V

V i

f

VV

nRTVdVnRTdV

VnRTW lnminmax,

Kalor dan energiPerubahan energi dalam sistem adalah :

dU = dq + dwe + dweksp

Dengan dwe sebagai kerja lain di samping kerja pemuaian dweksp.

Pada keadaan dwe = 0 dan dweksp = 0 :dU = dq

Pengukuran besarnya energi yang diberikan kepada sistem bervolume tetap sebagai kalor (q > 0) atau energi yang diperoleh dari sistem tersebut (q < 0), pada saat sistem mengalami perubahan keadaan kenyataannya adlah


pada saat sistem mengalami perubahan keadaan, kenyataannya adlah pengukuran perubahan energi dalam yaitu :

ΔU = qv

Inilah yang digunakan pada prinsip kalorimeter, melalui konversi nilai perubahan temperatur dan nilai kalornya :

q = C . ΔT

Kalorimetri• Metoda yang digunakan dalam

laboratorium adalah untuk mengukur panas yang dilepaskan dari suatu reaksi kimia.

• Bentuk “coffee-cup calorimeter” adalah suatu kalorimeter sederhana yang sering digunakan di laboratorium kimia. .

0


qlarutan + qreaksi = 0

Contoh: Campurkan 200. mL 0.400 M HCl dengan 200. mL NaOH ke dalam coffee-cup calorimeter. Temperatur masing-masing larutan sebelum dicampur adalah 25.10 °C dan setelah pencampuran temperatur menjadi 27.78 °C. berapa enthalpi molar reaksi netralisasi tersebut ? (dlarutan = 1.00 g/mL dan Clarutan = 4.20 J/g•K)

Kalorimetri bom• kalorimeter bom adalah

peralatan yang biasa digunakan untuk penentuan panas pembakaran atau kalori suatu bahan pangan.

qqrex’nrex’n + + qqbombom ++ qqairair = = 00


Contoh: Sampel sukrosa 1.00 g (C12H22O11) dibakar dalam bomb calorimeter. Temperatur 1.50 x 103 g air meningkat dari 25.00 °C menjadi 27.32 °C. kapasitas panas bom adalah 837 J/K. Hitung (a) panas yang dilepaskan per gram sukrosa dan (b) panas yang dilepaskan per mol sukrosa.

iqmal kf1 04 energi dan hukum termodinamika ke satu

Documents