BAB I

Latihan 1Berapa kerja (dalam Joule) yang dilakukan kepada sistemi jika gas dikompresi oleh tekanan luar konstan sebesar 1 atm sehingga volume gas berubah dari 5 menjadi 1 dm3,Jawab

V1=5 dm3dan V2 = 1 dm3 , 1 dm3= 1 L, sehingga w = 1 atm (1-5)L = -4 L atm.R = 0,082 L.atm (mol.K)-1 = 8,314 J(mol.K)-11 L.atm = 8,314/0,082 J = 101,39 J

W = - 4 Latm = -4 x 101,39 J = 406 J = 0,406 kJLatihan 2

1 mol gas ideal, tekanan 3 atm berada dalam piston dan ekspansi melawan tekanan eksternal konstan 1,5 atm. Tentukan kerja yang dilakukan gas bila proses berlangsung isothermal pada 25oC.

Jawab

Pada gas ideal berlaku persamaan gas, PV = nRT, dengan P = tekanan, V = volume, T = temperatur, n = mol gas dan R = tetapan gas, sehingga

V gas = nRT/P = 1, 0,082 L.atm (mol.K)-1 298 K/3 atm = 8,2 LKarena gas diekspansi (perhatikan tekanan gas mula mula 3 atm), ekspansi akan berhenti sampai tekanan gas sama dengan tekanan luar, 1,5 atm sehingga volume gas setelah diekspansi menjadi

V gas = nRT/P = 1, 0,082 L.atm (mol.K)-1 298 K/1,5 atm = 16,4 L

Jadi w = PL V = 1,5 atm (16,4-8,2)L = 12,3 LatmLatihan 310 mol gas ideal 25oC dan 10 atm mengalami ekspansi secara reversibel dan isothermal sehingga tekanan sistem menjadi 2 atm. Hitunglah kerja yang dilakukan gas terhadap lingkungan.

Jawab

Proses ekspansi/kompresi dikatakan reversibel jika setiap saat selama proses berlangasung PL=PS. V2 V2 dw = Pl dV dw = PS dV

V1 V1

V2 dw = nRT/V dV

V1

w = nRT ln (V2/V1)

V2 = 10 mol 0,082 L.atm (mol.K)-1 298K/2 atm = 122,18 L V1 = 10 mol 0,082 L.atm (mol.K)-1 298K/10 atm = 24, 436 Lw = 10 mol 0,082 L.atm (mol.K)-1 298K ln(122,18 L/ 24, 436 L) = 393,282 L atm1. 3 Hukum Pertama TermodinamikaSecara matematika hukum pertama termodinamika didefinisikan sebagaidU = dq dw, dengan U adalah energi dalam sistem, atau dU = dq dw U = q w

Bila di antara sistem dan lingkungan tidak terjadi perpindahan panas (disebut proses adiabatik), U = w. Bila di antara sistem tidak melakukan kerja kepada lingkungan atau sebaliknya (w = 0), U = q.

Latihan 1,Satu mol gas menyerap kalor sebesar 500 J dan volume gas tetap sehingga temperatur gas naik dari 20 menjadi 25oC. Hitunglah perubahan energi dalam gas dan kerja yang dilakukan gas.Jawab

Karena volume gas tetap ketika menerima kalor (q = 500 J), w = 0,

U = q w, U = q = 500 JLatihan 2

50 gr O2 1 atm dan 25oC dikompresi secara adiabatik oleh tekanan luar tetap 30 atm hingga gas memiliki temperatur 50oC . Hitunglah U, q, w yang diterima gas.Jawab

n gas = 50/32 mol

V gas mula mula = nRT/P = (50/32) x 0,082 298/1 = 38,18 LV gas setelah dikompresi (akhir) = nRT/P = (50/32) x 0,082 x 323/30 = 1,38 L

w = Pl V = 30 atm (1,38 38,18) L = -1104,02 Latm = -112 kJ

Karena proses adalah adiabatik maka q = 0, sehingga U = -w = 112 kJ

1. 4 Proses pada Volume Konstan Jika sistem hanya melakukan kerja ekspansi atau kompresi dan jika proses berlangsung tanpa perubahan volume (V = 0, atau V2 = V1), w = 0, hukum pertama termodinamika menjadi U = q w = q.

Ini berarti pada suatu sistem yang menyerap/melepaskan panas sebesar q dan tidak melakukan/menerima kerja, panas yang diserap/dilepaskan seluruhnya digunakan untuk mengubah energi dalam (U). Bila energi dalam yang merupakan energi vibrasi, translasi dan rotasi molekular sistem mengalami perubahan dan bila temperatur sistem ditunjukkan oleh akumulasi energi karena gerak tranlasi dan rotasi, sistem akan mengalami perubahan temperatur.

1. 5 Proses pada Tekanan Konstan

Suatu sistemi yang mengalami proses/perubahan dari keadaan 1 ke keadaan 2,

dU = dq dw = dq- Pl dV, pada tekanan konstanU2-U1 = q PL (V2 - V1)U2-U1 = q PL V2 + PL V1q = (U2 +PL V2 )- (U1+ PL V1), jika H = entalpi = U + PVq = H2 H1 = H

atau dH = dq

Dapat dikatakan bahwa perubahan panas (dapat terjadi karena panas diserap/dilepaskan dari dan ke lingkungan dan karena adanya reaksi) pada proses isobar merupakan ukuran langsung perubahan entalpi sistem. Sebagai contoh reaksi antara cair dengan cair pada tekanan konstan didalam kalorimeter, tabung reaksi, dan sebagainya.

1. 6 Hubungan antara Entalpi dan Energi Dalam

Suatu reaksi yang melibatkan gas yang diasumsikan sebagai gas ideal, misal

A +B C + D

maka H = U + (PV), untuk gas ideal PV = nRT (PV) = RT n, sehinggaH = U + RT n,

n = ni (hasil) - ni (pereaksi)

i i

pada reaksi diatas n = ( + ) ( +)

Latihan

CH4 (g)+ 2 O2(g) CO2(g) + 2 H2O(g)Jika H pada 298K = 282,5 kJ/mol, tentukanlah q, U reaksi dan w yang dihasilkan oleh reaksi di atasJawab

n = (2+1)-(2+1) = 0w = RT n = 0

q = H = 282,5 kJ/mol

H = U + RT n = 282,5 kJ/mol + 0 = 282,5 kJ/mol

1. 7 Kapasitas PanasKapasitas panas suatu zat didefinisikan sebagai

banyaknya panas yang dibutuhkan oleh zat/sistem untuk menaikkan temperatur zat/sistem sebanyak satu derajat

Bila simbol kapasitas panas adalah C, C = dq/dT

Kapasitas panas spesifik (c) adalah kapasitas panas per gram dan kapasitas molar (c) adalah kapasitas panas per mol,

c = C/m, m = massa zat

c = C/n , n = mol zat

Paparan sebelumnya menjelaskan bahwa panas dapat siserap/dilepaskan sistem pada proses yang berlangsung pada volume tetap dan tekanan tetap.

Pada tekanan tetap q = H atau dq = dH sehingga kapasitas panas pada P konstan (CP)CP = (dq/dT)P = dH/dT

Panas pada volume tetap, q = U, atau dq = dU sehingga kapasitas panas pada V konstan (CV)

CV = (dq/dT)V = dU/dT

Untuk gas ideal hubungan antara CP dan CV adalah

CP - CV = nR

Pada dasarnya kapasitas panas tidak dapat diperkirakan secara teoritis dengan menggunakan hukum termodinamika, tapi ditentukan menggunakan metode statistik. Umumnya, kapasitas panas ditentukan melalui percobaan menggunakan alat kalorimeter. Beberapa pernyataan empiris mengenai nilai kapasitas panas adalah

Cp = a + bT + cT2 + dT3 dan Cp = a + bT + cT2dengan a, b, c, d, a, b, c merupakan konstanta yang bergantung pada jenis zat.Latihan. 1

Temperatur 2 kg air turun dari 95 menjadi 40oC ketika 1,25 kg potongan logam dengan temperatur 25oC dicelupkan kedalam air. Jika diketahui kapasitas panas air adalah 4,184 J/gr.K, hitunglah kapasitas panas logam.

Jawab

Panas yang diterima logam, q = Clogam dT = Clogam [(40+273)K (25+273)K] = 15 K ClogamUntuk 1,25 kg logam , q = 1,25 kg x 15K Clogam = 18,75 Kg = 18750 gr K ClogamPanas yang diberikan oleh air, q = Cair dT = 4,184 J/gr.K [(95+273)K (40+273)K] = 230,12 J/gr

Untuk 2 kg air = 230,12 J/gr x 2000 gr = 460 240 J

Panas yang diterima logam = Panas yang diberikan oleh air

18750 gr K Clogam = 460 240 J

Clogam = 460 240 J/18750 gr K = 24,55 J/gr. KLatihan 2

Tentukanlah perubahan entalpi, q yang diserap sistem, kerja dan perubahan energi dalam jika 1 mol CO2 dipanaskan dari 300 K menjadi 1000 K pada tekanan konstan 1 atm jika diketahui a, b dan c CO2 berturut turut 26, 86 J (mol.K)-1, 6,966 10-3 J (mol-1,K-2) dan 8,243 10-7 J (mol-1,K-3).

Jawab

1000

dH = Cp dT H = Cp dT = a + bT + cT2 dT = a T + b/2 T2 + c/3 T3 | 300

H = 26, 86 (1000-300) + 6,966 10-3 (10002 -3002) + 8,243 10-7/3 (10003 -3003)

H = 22,24 kJ/mol

H = 22,24 kJ/mol x 1 mol = 22,24 kJ

q = H = 22,24 kJ

Pada P konsan

V1 = nRT/P1 = 1 mol x 0,082 L.atm/mol.K x 300K/1 atm = 24,6 LV2 = nRT/P2 = 1 mol x 0,082 L.atm/mol.K x 1000K/1 atm = 82 L

w = P V = 1 atm (82 24,6) L = 57,4 L atm = 57,4 x 101,39 J = 5,82 kJ

Perubahan energi dalam

U = q w = 22,24 kJ 5,82 kJ = 16,42 kJLatihan 3

Kapasitas panas logam diukur pada temperatur yang sangat rendah dan diperoleh data pada tabel dibawah ini. Tentukanlah nilai a, b dan c jika diketahui Cp logam = a + bT.+ cT2T (K)

Cp (J/mol.K)

0,2604

0,58520,69012,3031,0134,8992,1331,362,91479,983,53146,44,10236,2JawabDengan menggunakan program excel yang ada di dalam microsof word, dibuatlah kurva Cp terhadap T, Cp sebagai sumbu y dan T sebagai sumbu x (kurva (a) dibawah ini) dengan memilih menu scatter. Klik kanan salah satu titik, pilih addterdline. Pilih trend/regression polynomial dan isikan orde dengan angka dua karena Cp memiliki fungsi polinom orde 2, klik display equation on chart dan display R squared value on chart, maka pada kurva tampil persamaan dan nilai R2 (kurva (b)).

(a) (b)

Dari kurva (b) terlihat persamaan y = 23,64 x2 45,59 x + 18,88, Karena y = Cp dan x = T, persamaan ini merupakan persamaan Cp fungsi T, dengan persamaan Cp = 18,88 45,59 T + 23,64T2, Cp logam = a + bT.+ cT2 = 18,88 - 45,59 T + 23,64 T2

a = 18,88 J (mol.K)-1 b = - 45,59 J (mol-1,K-2)

c = 23,64 J (mol-1,K-3)Nilai R2 menunjukkan kesesuaian model/trend/regression dengan data percobaan. Nilai R2 = 1 menunjukkan bahwa data benar benar (100%) sama dengan persamaan. Dalam percobaan nilai R21, Bila angka R2 mendekati satu, pengukuran Cp pada berbagai temperatur dapat dipercaya.

1. 8 Aplikasi Hukum Pertama Termodinamika pada Gas IdealGas disebut sebagai gas ideal bila memenuhi persamaan PV = nRT, dengan P = tekanan gasV = volume gasn = mol

R= tetapan gas

T = temperatur gas (K)Tetapan gas dalam berbagai satuan dapat dilihat pada tabel di bawah ini.

Tipe satuan

R

Satuan

Mekanik

0,082

dm3 atm/mol.K

Mekanik

82,054

ml3 atm/mol.K

cgs

4,4144

erg/mol.K

SI

8,3144

J/mol.K

Panas

1,9872

kalori/mol.K

Gas ideal dapat mengalami 1. Gas mengalami ekspansi/kompresi secara isothermal dan reversibel, dari hukum pertama termodinamika dU = dq dw atau U = q w. Sistem tidak akan mengalami perubahan energi dalam (ingat energi dalam berhubungan dengan energi vibrasi, rotasi dan translasi molekular yang berbanding lurus dengan temperatur) jika temperatur konstan (isothermal). Praktis tidak ada perubahan pada energi vibrasi, rotasi dan translasi sehingga juga tidak ada perubahan pada energi dalam, U = 0, q = w.

Untuk proses isothermal ini, juga tidak terjadi perubahan entalpi sistem (H = 0). Hal ini dapat terjadi karena dH = Cp dT, untuk proses isothermal dT = 0 Pada ekspansi reversibel, lihat gambar berikut ini

q = w = Pl dV = Ps dV= nRT/V dV

Karena isothermal, T konstan

q = w = nRT dV/V = nRT ln (V2/V1)

Kerja yang dilakukan oleh sistem yang mengalami proses isothermal dan reversibel ini adalah kerja maksimum.

Latihan Tentukanlah perubahan energi dalam, entalpi, kerja dan panas yang dihasilkan bila 2 mol gas CO2 mengalami ekspansi isothermal dan reversibel dari 2,4 L menjadi 5,6 L pada temperatur 10oC dan pada 100oC.Jawab

Pada sistem gas yang mengalami perubahan/proses isothermal U = 0 dan H = 0

q = w = nRT dV/V = nRT ln (V2/V1)

Pada T = 10oC = 283 K

q = w = nRT ln (V2/V1) = 2 mol x 8,314 J/mol.K x 283 K x ln (5,6 L/2,4 L)

q = w = 3987 J

Pada T = 100oC = 373 K

q = w = nRT ln (V2/V1) = 2 mol x 8,314 J/mol.K x 373 K ln (5,6L/2,4 L)

q = w = 5396 J

2. Gas mengalami ekspansi/kompresi secara isothermal dan isobarik (tekanan konstan), maka sistem tidak akan mengalami perubahan energi dalam dan entalpi (jelaskan argumen ini) atau U = 0 dan H = 0 sehingga dari hukum pertama termodinamika dU = dq dw, q = w = Pl dV = P (V2-V1)

Latihan

1 mol gas ideal dikompresi secara isothermal pada 300 K dibawah tekanan luar 200 atm. Hitunglah q, w, U dan H sistem gas, jika tekanan gas mula mula adalah 2 atm dan setelah kompresi menjadi 100 atm.Jawab

Pada proses isothermal U = 0 dan H = 0V1 = nRT/P = 1 mol x 0,082 L atm/mol.K x 300 K/2 atm = 12,315 L

V2 = nRT/P = 1 mol x 0,082 L atm/mol.K x 300 K/100 atm = 0,2463 L

q = w = Pl dV = P (V2-V1)

q = w = 200 atm (0,2463 L 12,315 L) = -2413,74 L atm

q = w = -2413,74 x 101,39 J = -244,73 kJ

3. Terjadi perubahan fasa secara isothermal dan isobarikPerubahan fasa yang terjadi bisa merupakan perubahan fasa dari cair menjadi gas atau sebaliknya serta perubahan dari padat menjadi cair atau sebaliknya. Untuk senyawa/zat murni, perubahan ini terjadi pada temperatur konstan dan tekanan tertentu. Perubahan fasa dapat dilihat pada diagram fasa di bawah ini.

Sepanjang garis ac adalah titik leleh pada berbagai tekanan, sepanjang garis bc adalah titik didih dalam berbagai tekanan dan sepanjang garis dc, sunbu x adalah temperatur sublim dalam bernagai tekanan.

Jika suatu cairan dipanaskan maka cairan tersebut akan mengalami kenaikan temperatur sampai pada titik didihnya dan temperatur akan konstan sampai semua cairan berubah menjadi gas. Ketika cairan mendidih, dibutuhkan panas/entalpi sebesar kalor penguapannya, sehingga kalor penguapan q = H dan kerja pada keadaan isobarik adalah w = pV

Latihan

1 mol air diuapkan pada 100oC dan 1 atm, hitunglah q, w, H dan U, jika diketahui massa jenis air pada 100oC adalah 0,9573 gr/mL dan kalor penguapan air pada 100oC adalah 40,7 kJ/mol

Jawab

H2O(l) H2O(g) q = H = 40,7 kJ/mol x 1 mol = 40,7 kJw = pV

V1 = volume air (fasa cair) pada 100oC

massa/massa jenis = 1 mol x 18 gr/mol/0,9573 gr/L = 18,8 mL V1 = volume air (fasa gas) pada 100oC = nRT/P = 1 mol x 0,082 L atm/mol.K x 373 K/1 atm = 30,586 L

w = 1 atm (30,586 L-0,0188L) = 30,5672 L atm

w = 30,5672 x 101,39 J = 3099 J = 3,099 kJU = q-w

U = 40,7 kJ 3,099 kJ = 37, 601 kJ

4. Gas mengalami perubahan secara adiabatik dan reversibelGas yang mengalami perubahan secara adiabatik berarti tidak ada kalor yang keluar masuk sistem, maka q = 0, Dari definisi Cv, Cv = dU/dT U = Cv dT. Berdasarkan hukum pertama termodinamika U = q w, maka

w = - UBerdasarkan definisi Cp, Cp = dH/dT

H = Cp dT

Untuk menentukan perubahan energi dalam dan entalpi, haruslah diketahui temperatur awal dan temperatur akhir gas. Untuk gas ideal, berlaku hubunganT1V1R/Cv = T2V2R/Cv P1V1 = P2V2 dimana = Cp/CvLatihan

1 mol gas ideal dikompresi secara adiabatik dan reversibel dari volume awal 6 L menjadi volume akhir 2 L dan temperatur awal 27oC. Tentukanlah nilai q, w, U dan H, jika diketahui Cv 20,91 J/mol.K

Jawab

Proses adiabatik, q = 0

T1V1R/Cv = T2V2R/Cv T2 = T1 (V1/ V2)R/Cv = 300 K (6/2)8,314 j/mol.K/20,91 J/mol.K = 464,3 K U = Cv dT = Cv T

= 20,91 J/mol.K x (464,3 K - 300 K) = 3435 J/mol

U = 1 mol x 3435 J/mol = 3435 J

Untuk gas ideal berlaku hubungan Cp-Cv = nR

Untuk 1 mol gas Cv = 20,91 J/mol.K x 1 mol = 20,91 J/K

Cp = Cv + nR = 20,91 J/K + 8,314 J/mol.K x 1 mol = 29,224 J/K

H = Cp dT = Cp T = 29,224 J/K (464,3 K - 300 K) = 4801,5 J

w = - U = - 3435 J

5. Gas mengalami ekspansi secara adiabatik dan isobarikGas yang mengalami proses ekspansi adiabatik, q = 0, sedangkan U dan H dapat ditentukan dari harga Cp dan Cv-nya,

U = Cv dT

H = Cp dT

Pada proses isobar, w = P dV = P V

Berdasarkan hukum pertama termodinamika U = q w, maka untuk gas yang mengalami perubahan adiabatik dan isobarik berlaku

U = w Cv dT = - P V

Latihan

1 mol gas dikompresikan secara adiabatik dan isobarik oleh tekanan luar 15 atm. Bila temperatur mula-mula gas adalah 27oC dan volumenya 6 L dan setelah kompresi volume menjadi 2 L, tentukanlah nilai q, w, U dan H, jika diketahui Cv 20,91 J/mol.K

Jawab

q = 0 (proses adiabatik) karena proses juga isobar, maka

Cv dT = - P V

Cv dT = Cv T = - P V

20,91 J/mol.K x 1 mol x (T2 300K) = -15 atm x (2- 6) L = 90 L.atm = 60 x 101,39 J

T2 = 6083,4 J/20,91 J/K + 300 K = 590,9 K

U = Cv dT = 20,91 J/K (590,9 K 300K) = 6083,4 JH = Cp dT = 29,224 J/K (590,9 K 300K) = 8502,2 Jw = 15 atm ((2- 6)L = - 60 L.atm = - 60 x 101,39 J = - 6083,4 J

1. 9 Panas Reaksi, Pembentukan, Pembakaran, dan Pelarutan

Dari hukum pertama termodinamika,U = q w, jika proses berlangsung pada tekanan konstan, hukum pertama termodinamika menjadi H = q. Bila proses berlangsung pada volume konstan U = q. Hal yang sama juga berlaku untuk reaksi kimia, bila terjadi reaksi seperti persamaan berikut ini

Reaktan ProdukReaktan adalah zat yang bereaksi (keadaan awal sistem) dan produk adalah hasil reaksi (keadaan akhir sistem), maka berdasarkan hukum pertama termodinamikaq = panas yang dihasilkan dalam reaksi = U (perubahan energi dalam sistem) jika reaksi berlangsung pada volume tetap.

q = panas yang dihasilkan dalam reaksi = H (perubahan entalpi sistem) jika reaksi berlangsung pada tekanan tekanan tetap.

Umumnya, reaksi dilangsungkan pada tekanan tetap sehingga panas reaksi dapat dihitung melalui cara berikut ini:

1, Melalui data entalpi pembentukan standar

Panas pembentukan dari setiap 1 mol senyawa adalah entalpi reaksi setiap pembentukan senyawa dari unsurnya. Jika pembentukan senyawa dari unsurnya dilakukan dalam keadaan standar (298 K dan 1 atm), entalpinya disebut entalpi pembentukan standar (Hf). Beberapa panas/entalpi pembentukan standar senyawa dapat dilihat pada tabel berikut ini.Senyawa

Mr (gr/mol)Cp (j/mol.K)

Hf (kJ/mol)

Gf (kJ/mol)

Sf (J/mol)

Air (l)18-286-23770CO

2829,14110,53-137,16197,54CO24437,05-393,52-394,41213,69Methane

16,04

35,73

-74,85

-50,82

186,3

Ethane

30,54

52,48

-83,85

-31,95

229,12

Prophane

44,1

73,59

-104,68

-24,4

270,2

n-Butane

58,12

98,85

-125,77

-16,07

310,12

n-pentana

72,15

120,1

-146,71

-8,77

349,5

n-heksana

86,18

143,1

-166,94

-0,08

388,7

n-heptana

100,2

165,9

-187,658,15428n-oktana

114,2

188,7-208,8215,92467,2n-nonana

128,3

211,6-228,8724,73506,4n-dekana

142,3

234,5-249,5332,97545,7Siklopentana

70,13

82,92-77,0338,87292,9Methilsiklopentana

84,16

-106,735,77339,9Ethilen

28,05

43,7352,2868,12219,45Propilen

42,08

63,9219,7162,14266,66Isobutilen

56,11

89,16-16,958,07293,59Asetilen

26,04

44,23226,75209,2200,82Benzene78,11

81,6682,93129,66269,2Air

18

33,6-241,82-228,59188,72Oksigen

32

29,3400205,04Amonia

17

35,66-45,9-16,4192,67Metanol

32,04

43,92-201,08-162,42239,7Etanol

46,07

65,51-234,43-167,9282,69Isopropanol

60,1

88,88-272,42-173,39309,91Metilasetat

74,08

85,41-409,14-321,54319,83Etil asetat

88,11

113,4-442,92-327,4362,75Dietileter

74,12

112,5-252,13-121,75341Dengan menggunakan data di atas, maka panas reaksi pada keadaan standar adalahq = H = (Hf)produk - (Hf)pereaksi

Misal reaksi adalah

A + B C + D, maka

q = H = ( (Hf)C + (Hf)D ) - ( (Hf)A+ (Hf)B)

Latihan

Tentukanlah panas yang dihasilkan/dibutuhkan pada reaksi 2 mol gas metan (CH4) yang dibakar sempurna pada 298 K dan tekanan 1 atm.Jawab

CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O (g)

Dengan menggunakan data diatas

q = H = (1 (Hf) CO2 + 2 (Hf)H2O ) - (1 (Hf)CH4+2 (Hf) O2)

q = H = [(-393,52 + 2 (-241,82)) (-74,85 + 2 x 0)] kJ/mol = -802,31 kJ/mol q = H = -802,31 kJ/mol x 2 mol = -1604,62 kJ2, Menggunakan hukum Hess

Suatu reaksi kimia yang diinginkan dapat merupakan rangkaian beberapa reaksi kimia. Jika panas masing-masing reaksi diketahui, panas reaksi yang diinginkan dapat dihitung dengan menambah atau mengurangi panas reaksi tahap reaksi. Cara ini dapat pula digunakan untuk menghitung panas dari suatu reaksi yang belum memiliki data entalpi pembentukan standar.

Misalkan suatu reaksi terdiri dari beberapa tahap reaksi seperti rangkaian reaksi dibawah ini

Dalam rangkaian reaksi di atas, berlaku hubungan

q = H = H1 + H2 + H3 + H4 Latihan

Hitunglah panas reaksi pada reaksi berikut ini

C grafit + H2O (g) CO + H2

Jika data berikut ini diketahui

C grafit + O2 (g) CO H = -110,50 kJ/molH2 + O2 H2O H = -241,4 kJ/mol

Jawab

Panas reaksi diatas dapat dihitung menggunakan hukum HessC grafit + O2 (g) CO H = -110,50 kJ/mol

H2O H2 + O2 H = 241,4 kJ/molC grafit + H2O CO + H2 H = -110,50 kJ/mol + 241,4 kJ/mol = 130,9 kJ/mol

3, Menggunakan data energi ikatan

Energi ikatan didefinisikan sebagai panas reaksi yang dikaitkan dengan pemutusan ikatan kimia dari molekul-molekul gas menjadi bagian-bagian gas.

q = H = ni (Energi Ikatan)i. pereaksi - nj (Energi Ikatan)j, produkdengan ni dan nj masing-masing adalah jumlah mol ikatan ke-i pada pereaksi dan jumlah mol ikatan ke j pada produk. Data beberapa energi ikatan dapat dilihat pada tabel berikut:Jenis Ikatan (EI)Energi ikatan, EI (kJ/mol)H-C

415H-O

463H-N

391H-F

563H-Cl

432H-Br

366H-I

299C-O

356C=O

724C-N

292C=N

619

879C-C348C=C607

833O=O

495

H-H

436

Latihan

Tentukanlah panas reaksi pembakaran metanol di bawah ini menggunakan data energi ikatan

CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O (g)

Jawab

q = H = ni (Energi Ikatan)i. pereaksi - nj (Energi Ikatan)j, produk q = H = (4 EI C-H+ 2 EI O=O) (2 EI C=O + 2 x 2 EI O-H)

q = H = ( 4 x 415 + 2 x 495) (2 x 724 + 4 x 463) = 250 kJ/molReaksi yang dapat ditentukan panas yang dihasilkan atau dibutuhkan adalah

1, Panas netralisasiPanas netralisasi adalah panas yang dihasilkan bila 1 mol asam dinetralisasi dengan 1 mol basa2, Panas pelarutanAda dua jenis panas pelarutan; panas pelarutan integral (perubahan entalpi jika 1 mol zat dilarutkan dalam n mol pelarut) dan panas diferensial (perubahan entalpi jika 1 mol zat dilarutkan dalam tak terhingga pelarut atau encer tak terhingga)

3, Panas pembakaranPanas pembakaran adalah panas reaksi dimana 1 mol zat dibakar secara sempurna.

1. 10 Ketergantungan Panas Reaksi pada TemperaturDari pembahasan sebelumnya kita sudah mempelajari bagaimana menentukan perubahan entalpi reaksi(H) pada temperatur tertentu. Karena data entalpi pembentukan standar diberikan pada temperatur 298 K, maka perubahan entalpi yang diperoleh adalah pada keadaan standar (298 K). Reaksi tidak selalu dilakukan dalam keadaan standar. Sebagai contoh kita sudah dapat menghitung berapa panas yang dihasilkan jika 1 mol metana dibakar sempurna pada 298 K. Namun berapa panas yang dihasilkan jika 1 mol metana dibakar pada temperatur selain 298 K? Untuk itu kita harus melihat bagaimana ketergantungan perubahan entalpi pada temperatur.

Dari definisi Cp = dH/dT

dH = Cp dT dapat dibuat hal yang sama untuk reaksi

d(H) = (Cp) dT,

T2

d(H) = (Cp) dT (H)2 - (H)1 = (Cp) dT

T1

Perubahan kapasitas kalor zat dalam reaksi dibawah ini

A + B C + D, maka

Cp = ((Cp)C + (Cp)D ) - (Cp)A+ (Cp)B)

Jika Cp setiap zat yang terlibat dalam reaksi adalah suatu konstanta, maka

T2

d(H) = (Cp) dT (H)2 - (H)1 = (Cp) dT

T1

(H)2 = (H)1 + (Cp) (T2 - T1)

Latihan 1Tentukanlah perubahan entalpi reaksi pembakaran sempurna 2 mol metana pada 373 K

Jawab

CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O (g)

Dengan menggunakan data entalpi pembentukan standar yang ada pada tabel, perubahan entalpi pada 298 K dapat dihitung;

q = H = (1 (Hf) CO2 + 2 (Hf)H2O ) - (1 (Hf)CH4+2 (Hf) O2)

q = H = [(-393,52 + 2 (-241,82)) (-74,85 + 2,0)] kJ/mol = -802,31 kJ/mol

q = H = -802,31 kJ/mol x 2 mol = -1604,62 kJ

Cp = ((Cp)A + (Cp)D ) - (Cp)A+ (Cp)B)

Cp = (1(Cp) CO2 + 2 (Cp)H2O ) - (1Cp)CH4+2 (Cp) O2)

Data Cp CO2 = 37,05 (J/mol.K)

H2O = 33,6 (J/mol.K)

O2 = 29,34 (J/mol.K)

CH4 = 35,73 (J/mol.K)

Cp = [37,05 + 2 x 33,6 (2 x 29,34 +35,73)] (J/mol.K) = 9,84 (J/mol.K)

(H)2 = (H)1 + (Cp) (T2 - T1)

(H)373 = (H)298 + (9,84 (J/mol.K)) (373- 298)

(H)373 = -1604,62 kJ + 2 mol x 9,84 (J/mol.K) (75 K) = -1604,62 kJ + 1476 J(H)373 = -1604,62 kJ + 1,476 kJ = -1603,144 kJ

Jadi perubahan entalpi pada 373 K pembakaran sempurna 2 mol metana = -1603,144 kJ

Latihan 2

Tentukanlah perubahan entalpi reaksi pembakaran sempurna 2 mol metana pada 1000 K, jika diketahui pada temperatur tersebut Cp merupakan fungsi temperatur sesuai dengan data berikut ini

Cp CO2 = 26,68 + 42,258 10-3T -142,465 10-7T2 H2O = 30,204 + 9,933 10-3T + 11,171 10-7T2 O2 = 25,503 + 13,612 10-3T 42,555 10-7T2 CH4 = 14,146 + 75,496 10-3T -179,91 10-7T2 Jawab

CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O (g)

Dengan menggunakan data entalpi pembentukan standar yang ada pada tabel, perubahan entalpi pada 298 K dapat dihitung;

q = H = (1 (Hf) CO2 + 2 (Hf)H2O ) - (1 (Hf)CH4+2 (Hf) O2)

q = H = [(-393,52 + 2 (-241,82)) (-74,85 + 2,0)] kJ/mol = -802,31 kJ/mol

q = H = -802,31 kJ/mol x 2 mol = -1604,62 kJ

Cp = ((Cp)A + (Cp)D ) - (Cp)A+ (Cp)B)

Cp = (1(Cp) CO2 + 2 (Cp)H2O ) - (1Cp)CH4+2 (Cp) O2)

Cp = 26,68 + 42,258 10-3T -142,465 10-7T2 + 2 (302,04 + 9,933 10-3T + 11,171 10-7T2)

(14,146 + 75,496 10-3T -179,91 10-7T2 + 2 (25,503 + 13,612 10-3T 42,555 10-7T2)) = 21,936 40,596 10-3T + 144,892 10-7T2 T2

d(H) = (Cp) dT (H)2 = (H)1 + (Cp) dT

T1

T2 (H)2 = (H)1 + (Cp) dT

T1 T2 (H)2 = (H)1 + (21,936 40,596 10-3T + 144,892 10-7T2) dT

T1

(H)2 = (H)1 + 2 mol{21,936 (1000-298) 40,596 10-3/2 (10002-2982) + 144,892/3 10-7 (10003- 2983)} J/mol

(H)2 = -1604,62 kJ + 2 mol {21,936 (1000-298) 40,596 10-3/2 (10002-2982) + 144,892 10-7 (10003- 2983)} 10-3 kJ/mol (H)2 = -1601,42 kJ

1. 11 Hukum Kedua Termodinamika dan EntropiSalah satu cara untuk melihat definisi hukum kedua termodinamika adalah dengan menggunakan entropi. Entropi sendiri memiliki definisi sebagai derajat ketidakteraturan sistem. Menurut hukum kedua termodinamika

dS = dqrev/T 0, dengan dS = dSs + dSlProses akan berlangsung spontan atau irreversibel bila dS > 0, setimbang/reversibel bila dS = 0,

dS = dSs + dSlSalam semesta = Ss + Sl 0

Ss -SlProses masih dapat berlangsung spontan atau reversibel meskipun Ss < 0, dengan syarat

Ss -Sl Entropi hanya bisa dihitung jika proses reversibel, jika proses tidak reversibel maka dicari proses reversibel pada setiap keadaan antara dari proses keseluruhan.

dS = dqrev/T 2

dS = dqrev/T . Bila T konstan pada T reversibel maka persamaan ini akan menjadi 1

S2-S1 = S = q/TBila proses berlangsung isothermal pada T reversibel dan tekanan juga konstan, persaman akan menjadi;

2 2 2 T2 dS = dqrev/T = dH/T = Cp dT/T 1 1 1 T1S = q/T = H/T

Untuk proses yang berupa reaksi kimia dan berlangsung pada 298 K dan 1 atm (keadaan standar), entropi reaksi berikut ini dapat ditentukan.A + B C + D, mka

S = (Sf)produk - (Sf)pereaksi

S = ( (Sf)C + (Sf)D ) - ( (Sf)A+ (Sf)B)

Latihan Berapakah perubahan entalpi dan entropi bila 1 mol air mengembun (berubah dari fasa gas menjadi fasa cair) pada 298K dan apakah reaksi berlangsung spontan?Jawab

H2Og H2OlDari tabel data diketahui

Hf (kJ/mol)

Sf (J/mol.K)

H2Og-237

188,72

H2Ol-28670

Ss = S2 S1 = 70 188,72 = -118,72 j/mol.KHs = H2 H1 = -286 (-237) = -49 kj/molDiasumsikan panas yang dikeluarkan sistem (karena 0

Dari harga Salam semesta ini terlihat bahwa proses berlangsung spontan meskipun Ss < 0,1. 12 Ketergantungan Entropi pada TemperaturJika proses berlangsung pada volume konstan, isotermal dan reversibel maka q = U = CvdT2 2 T2 dS = dqrev/T = Cv/T dT

1 1 T1

S = Cv ln (T2/T1)Bila sistem mengalami perubahan/proses secara isothermal dan reversibel pada tekanan konstan,

2 2 2 T2 dS = dqrev/T = dH/T = Cp/T dT

1 1 1 T1

S = Cp ln (T2/T1)

Bila Cv dan Cp diberikan dalam bentuk suatu fungsi temperatur, dan umumnya adalah polinom orde 2, seperti; Cp = a + bT +cT2 , persamaan diatas menjadi

T2 T2S = (a + bT +cT2)/T dT = (a/T + b +cT) dT T1 T1 S2 S1 = S = a ln (T2/T1) + b ((T2-T1) + c (T22-T12)Untuk suatu reaksi, S dapat dihitung dari harga entropi pembentukan standar senyawa, dan perubahan entropi reaksi yang diperoleh adalah perubahan entropi dalam keadaan standar. Untuk dapat menghitung perubahan entropi suatu reaksi pada sembarang temperatur,

A + B C + D

d(S) = d (H)/T = Cp/T dT

1 1 T2 d(S) = d(H)/T = Cp/T dT

2 2 T1

Bila Cp adalah suatu konstanta, maka

S2-S1 = Cp ln(T2/T1), dengan Cp = ((Cp)C + (Cp)D ) - (Cp)A+ (Cp)B)Latihan 1Tentukanlah perubahan entropi pembakaran gas metana pada 100oC jika diketahui kapasitas kalor pada 298 K 35,73 J/mol.K dan jika Cp merupakan fungsi T, Cp = 14,146 + 75,496 10-3T -179,91 10-7T2 Jawab

Bila Cp adalah suatu konstanta maka

S = Cp ln (T2/T1) = 35,73 ln (373/298)

Bila Cp = f(T)

S = a ln (T2/T1) + b ((T2-T1) + c (T22-T12) = 14,146 ln (373/298) + 75,496 10-3 (373-298) -179,91 10-7/2 (3732 2982) = 7,99 j/mol.KLatihan 2

Tentukanlah perubahan entropi reaksi pembakaran sempurna 2 mol metana pada 1000 K, jika diketahui pada temperatur tersebut Cp merupakan fungsi temperatur sesuai dengan data berikut ini

Cp CO2 = 26,68 + 42,258 10-3T -142,465 10-7T2

H2O = 30,204 + 9,933 10-3T + 11,171 10-7T2

O2 = 25,503 + 13,612 10-3T 42,555 10-7T2

CH4 = 14,146 + 75,496 10-3T -179,91 10-7T2

Jawab

CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O (g)

Dengan menggunakan data entropi pembentukan standar yang ada pada tabel, perubahan entalpi pada 298 K dapat dihitung;

Sf CO2 = 213,69 (J/mol.K)

H2O = 188,72 (J/mol.K)

O2 = 205,04 (J/mol.K)

CH4 = 186,3(J/mol.K)

S = (1 (Sf) CO2 + 2 (Sf)H2O ) - (1 (Sf)CH4+2 (Sf) O2)

= [(213,69 + 2 (188,72)) (186,3 + 2 (205,04))] kJ/mol = -5,97 J/mol.K = -5,25 J/mol x 2 mol = -11,94 J/mol.KCp = ((Cp)C + (Cp)D ) - (Cp)A+ (Cp)B)

Cp = (1(Cp) CO2 + 2 (Cp)H2O ) - (1Cp)CH4+2 (Cp) O2)

Cp = 26,68 + 42,258 10-3T -142,465 10-7T2 + 2 (30,204 + 9,933 10-3T + 11,171 10-7T2)

(14,146 + 75,496 10-3T -179,91 10-7T2 + 2 (25,503 + 13,612 10-3T 42,555 10-7T2))

= 21,936 40,596 10-3T + 144,892 10-7T2 T2

d(S) = (Cp)/T dT (S)2 = (S)1 + (Cp)/T dT

T1

T2 (S)2 = (S)1 + (21,936 40,596 10-3T + 144,892 10-7T2 )/T dT T 1

T2 (S)2 = (S)1 + (21,936/T 40,596 10-3 + 144,892 10-7T) dT

T1

(S)2 = (S)1 + {21,936 ln(1000/298) 40,596 10-3 (1000-298) + 144,892 10-7/2 (10002-

2982)} J/mol

(S)2 = -10,5 J + 2 mol x{21,936 (ln (1000/298) 40,596 10-3/2 (1000-298) + 144,892/2 10-7

(10002- 2982)} J/mol

(S)2 = 116,37 j/mol.K1. 13 Hukum Ketiga TermodinamikaSama halnya dengan hukum kedua termodinamika, hukum ketiga termodinamika didefinisikan sebagai

Harga entropi zat padat murni atau zat cair murni mendekati nol pada 0K (Planck)

Atau jika entropi unsur dalam beberapa keadaan kristal dianggap nol pada temperatur absolut (0K), setiap zat memiliki harga entropi positif tertentu pada temperatur di atas temperatur absolut, tapi pada temperatur absolut entropi dapat menjadi nol demikian pula pada zat dalam keadaan kristal sempurna (Lewis dan Randall).

1. 14 Rangkuman

Di dalam energetika kimia dipelajari hukum pertama, kedua dan ketiga termodinamika. Hukum pertama menyatakan bahwa bila suatu sistem mengalami perubahan/proses di dalam sisten akan terjadi perubahan energi dalam (U) sebesar q-w atau U = q-w, dengan q adalah kalor dan w adalah kerja yang dipertukarkan antara sistem dan lingkungan.

Kapasitas kalor zat didefinisikan sebagai C = dq/dT, pada V konstan Cv = dU/dT dan pada P konstan Cp = dH/dT. Pernyataan Cp atau Cv suatu zat dapat berupa suatu konstanta maupun suatu fungsi temperatur, C = f(T)

Perubahan yang terjadi pada sistem gas dapat berupa ekspansi/kompresi isotermal reversibel, isothermal isobar, perubahan fase isotermal dan reversibel, adiabatik reversibel dan adiabatik isobarProsesqwUH

isotermal reversibelnRT ln(V2/V1)nRT ln(V2/V1)00,

isotermal isobarP (V2-V1)P (V2-V1)00

perubahan fase isotermal dan reversibel= HP (V2-V1)= q-w=q

adiabatis reversibel0UCv dTCp dT

adiabatis isobar0P (V2-V1)Cv dTCp dT

Perubahan entalpi reaksi dapat dihitung menggunakan 1. data entalpi pembentukan standar

2. data kapasitas kalor setiap zat yang terlibat

3. data harga energi ikatan rata rata

4. hukum HessHarga perubahan entalpi merupakan suatu fungsi temperatur,

d(H) = (Cp) dT

Hukum kedua termodinamika menyatakan bahwa perubahan berlangsung spontan bila perubahan entropi (derajat ketidakteraturan sistem) alam semesta > 0 dan perubahan berlangsung reversibel bila perubahan entropi alam semesta = 0, Meskipun perubahan entropi sistem kecil dari nol, tapi proses dapat tetap berlangsung spontan bila sistem memberikan panas kepada lingkungan. Perubahan entropi reaksi bisa dihitung menggunakan

1. data entropi pembentukan standar

2. data kapasitas kalor setiap zat yang terlibat

Perubahan entropi merupakan fungsi temperatur dengan d(S) = (Cp)/T dT.Hukum ketiga termodinamika menyatakan bahwa entropi setiap zat pada temperatur absolut (0K) adalah nol

1. 15 Soal Latihan1. Hitunglah kapasitas panas (Cp) rata rata propan pada 25 dan 200oC, jika diketahui nilai Cp propana =10,08 J/mol.K+239,3 10-3T 733,58 10-7T22. Dengan menggunakan data Cp pada tabel, tentukanlah panas pembakara sempurna propan pada 500K.

3. Gunakan harga Cp propana pada soal 1, Gas 32,5 gr propane dalam wadah 10 L

dipanaskan dari 25 sampai 200oC pada tekanan 1 atm. Hitunglah volume akhir, q, w, U

dan H.4. Ulangi soal no 3, volume konstan5. Satu mol gas ideal pada 300 K dan 1 atm dikompresi secara isothermal sehingga tekanan menjadi 2 kali semula lalu gas dipanaskan pada volume konstan hingga tekanan menjadi P3 kemudian diekspansi secara reversibel dan adiabatis hingga kembali ke keadaan semula.Tentukanlah q, w, H dan U tiap proses dan total proses. Diketahui Cp gas = 29,239 J/mol.K6, Hitunglah banyak gas metana yang dibutuhkan untuk membuat 1000 gr uap air yang memiliki temperatur 200oC

1. 16 Referensi

1. Humilton, Brady,1982, General Chemistry, Principles and Structure, Willey International Edition

2. Tupamahu, MS dan Achmad, Hiskia ,1992, Stoikiometri dan Energetika Kimia, PT Citra Adyria Bakti 3. Dogra, S K dan Dogra, S, 1990, Kimia Fisik dan Soal-Soal, Jakarta, UI4. Daubert, E., Thomas, 1985, Chemical Engineering Thermodynamics, McGraw-Hill Book Company

PAGE Kimia Terapan untuk Teknik Mesin D3 6