3.3 Hukum Termodinamika Pertama Energi merupakan kemampuan suatu benda untuk melakukan perubahan, selain itu bentuk energi dapat bermacam-macam, seperti energi potensial, energi kinetik, energi kimia, energi listrik, energi dalam, dll. Dalam termodinamika, yang diperlukan adalah berapa harga perubahan energi yang menyertai perubahan suatu benda, bukan harga absolut energi yang dimiliki benda. Selain itu panas dan kerja juga dianggap sebagai salah satu bentuk energi. Untuk memudahkan pemahaman tentang energi tersebut, maka bentuk energi masing-masing energi dijelaskan lebih rinci berikut ini.

3.3.1 Bentuk-Bentuk Energi a. Energi Potensial (Ep) Energi Potensial didefinisikan sebagai energi yang dimiliki oleh suatu benda karena kedudukannya atau pada posisi ketinggian tertentu. Bila suatu benda berada pada ketinggian h di atas lantai dan di ambil patokan bahwa benda di lantai energi potensialnya sama dengan nol. Besarnya energi potensial benda pada ketinggian h, Energi potensial (Ep) Joule, adalah:Ep = m g h/gcDimana: m = massa benda; g = percepatan gravitasi; h = ketinggian benda; gc = faktor konversi satuanSebagai contoh energi potensial yang ada pada air bendungan belum dapat dimanfaatkan. Untuk dapat dimanfaatkan, maka dialirkan ke saluran di bagian bawah sehingga terjadi perubahan bentuk (transformasi) energi dari energi potensial menjadi energi kinetik.

SoalSuatu gas terbatas di diameter silinder 0,47 m oleh piston, yang berat. Massa piston dan berat bersama adalah 150 kg. Percepatan gravitasi local adalah 8.813 ms-2 dan tekanan atmosfer 101,57 kPa(a) Berapakah gaya dalam satuan newton yang bekerja pada gas oleh atmosfer, piston, dan berat, dengan asumsi tidak ada gesekan antara piston dan silinder?(b) Berapakahtekanan gas dalam kPa?(c) Jika gas dalam silinder dipanaskan, mengembang, mendorong piston dan berat ke atas. Jika piston dan berat yang mengangkat 0.83 m, berapakah kinerja yang dilakukan oleh gas dalam kJ? Berapa pula perubahan energy potensial dari piston dan berat?

Jawab:(a) F = Patm .A + mg = 101.57x103 Pa x (0,47m)2 + 150 kg x 9.813 = 1,909. 10 4 N(b) Pabs= = = 110,054 kPa(c) l = 0,83m W = F l = 1,909.104x 0,83m = 15,848 kJ Ep = m.g. l = 150 kg x 9,813 = 1,222 kJ

b. Energi Kinetik (Ek) Energi Kinetik merupakan energi yang dimiliki suatu benda yang bergerak. Oleh sebab itu besarnya energi kinetik sebanding dengan kecepatan gerak benda tersebut. Besarnya energi kinetik (Ek), suatu benda yang bergerak dengan kecepatan v, adalah:

Ek = m.v2/2gc

c. Energi Listrik Generator yang berputar akan mampu menghasilkan beda potensial sehingga dapat mengalirkan arus listrik. Dengan demikian, energi listrik adalah energi yang timbul karena adanya beda potensial pada kutub-kutub rangkaian listrik (kutub positif dan kutub negatif), sehingga dapat terjadi aliran arus listrik. Rumus energi listrik adalah: El = V x I x t Dimana: El = energi listrik (watt detik atau Joule) V = tegangan atau beda potensial (volt) I = kuat arus (amper) t = waktu yang diperlukan (detik)

d. Energi Kimia Energi kimia merupakan energi yang dimiliki benda karena di dalam benda tersebut terdapat atom, unsur, molekul dan ikatan kimia yang menyusun benda tersebut. Jika sebuah benda bereaksi, maka didalam benda tersebut terjadi perubahan susunan sehingga terbentuk zat baru disertai dengan energi. Apabila pada reaksi tersebut diperlukan energi maka reaksi tersebut disebut reaksi endoterm. Sebaliknya, apabila pada reaksi tersebut dihasilkan energi, maka disebut reaksi eksoterm. Contoh reaksi endoterm adalah pembakaran batu kapur (CaCO3) menjadi kapur tohor (CaO) dan CO2. Contoh reaksi eksoterm adalah minyak tanah yang dibakar, sehingga terjadi reaksi kimia antara minyak tanah dengan gas oksigen yang ada di udara menghasilkan uap air, gas karbon dioksida, dan energi (panas). Secara umum, jumlah energi yang menyertai reaksi kimia adalah selisih antara energi yang dimiliki zat hasil reaksi dan energi yang dimiliki oleh zat pereaksi, Ec = Ehr - EprDimana: Ec = energi kimia yang dihasilkan Ehr = energi kimia zat hasil reaksi Epr = energi kimia zat pereaksi

e. Panas (Q) Panas (kalor) adalah salah satu bentuk energi yang sedang berpindah dari satu benda ke benda lain yang temperaturnya lebih rendah. Panas hanya dapat berpindah kalau ada perbedaan gradien temperatur. Panas tidak dapat disimpan oleh suatu benda, sehingga panas bukan sifat milik suatu benda. Sebagai contoh , bila benda A dengan temperatur 400C bersentuhan dengan benda B yang temperaturnya 700C, maka akan terjadi perpindahan energi. Energi tersebut berpindah dalam bentuk panas dari benda B menuju benda A sampai terjadi kesetimbangan, yaitu temperatur benda A sama dengan temperatur benda B. Perindahan energi tersebut menyebabkan energi yang tersimpan dalam benda B turun, sedangkan energi yang tersimpan dalam benda A naik. Energi yang tersimpan dalam benda A dan B bukan dalam bentuk panas tetapi dalam bentuk energi dalam.Q = m cp dtDimana: Q = jumlah panas, m = massa benda, cp = kapasitas panas benda dt = perbedaan suhu

f. Kerja Kerja juga merupakan salah satu bentuk energi. Dapat dibayangkan jika seseorang mendorong sebuah benda sehingga benda tersebut bergeser maka hal tersebut dinamakan dengan kerja. Dalam hal ini seseorang tersebut dapat melakukan kerja ke benda lain atau benda menerima kerja dari luar sehingga benda dapat bergeser. Dalam termodinamika dikenal dua jenis kerja yaitu: kerja poros dan kerja akibat perubahan volume benda. Jenis kerja tersebut dapat dijelaskan pada uraian berikut:

1. Kerja poros Kerja poros merupakan kerja mekanik yang biasanya tampak sebagai poros yang berputar. Sebagai contoh: 1) Jika sistem yang ditinjau adalah cairan dalam tangki. Bila cairan tersebut di aduk oleh pengaduk, maka benda (cairan dalam tangki) menerima kerja dari luar lewat poros pengaduk. 2) Sebuah turbin uap menghasilkan tenaga yang dikeluarkan lewat poros sudu-sudunya. Bila benda yang ditinjau adalah uap yang mengalir di dalam turbin, maka benda tersebut (uap) melakukan kerja ke luar benda melalui poros sudu-sudu turbin.

2. Kerja akibat perubahan volume benda Kerja akibat perubahan volume benda umumnya menyangkut perubahan benda dalam bentuk gas. Baik dalam pemamfatan gas (kompresi) maupun dalam pengembangan gas (ekspansi). Untuk mengetahui kerja akibat perubahan volum, terlebih dahulu melihat definisi serta formulasi matematis dari kerja. Kerja didefinisikan sebagai hasil kali antara gaya yang bereaksi sepanjang satu lintasan dan panjang lintasan tersebut. Sebagai contoh: perhatikan Gambar 1.1. Gas dalam silinder memiliki tekanan yang lebih tinggi dari tekanan udara luar, akibatnya gas tersebut akan menekan poros ke atas, volum gas membesar dan tekanan gas akan turun

PPL P1 > P

P1P1Gambar 3.1 Kerja karena Kompresi Gas pada Piston

Dari gambar di atas terlihat benda (gas) melakukan keja ke luar (poros), maka ada gaya oleh gas yang menekan piston. Gaya tersebut beraksi sepanjang L. Bila P adalah tekanan udara luar dan A adalah luas penampang piston, maka besarnya kerja gaya yang beraksi sesuai dengan definisi tekanan adalah:F = P x A Dengan definisi kerja yang telah dijelaskan, maka besarnya keja W adalah:W = - F x L = - P.A x Ltanda negatif (-) karena gas melakukan kerja ke piston, atau gas akan berkurang energinya. Karena A x L adalah besarnya perubahan volum akibat pengembangan gas atau sama dengan dV = V2 V1, dimana V2 adalah volum gas mula-mula dan V1 adalah volum gas setelah mengembang (ekspansi) maka:W = -P(V2 - V1)Persamaan diatas adalah persamaan kerja akibat perubahan volum dari V1menjadi V2 dengan P konstan. Bila tekanan P tidak konstan, maka secara matematis ditulis adalah:W = - P dVProses sebaliknya bila piston ditekan ke dalam, maka benda yang ditinjau (gas dalam silinder) akan menerima kerja dari luar dalam bentuk kerja akibat perubahan volum. Kerja yang demikian diberi harga positif (+).

Dengan demikian dapat dikatakan bahwa:a. Bila benda yang ditinjau melakukan kerja ke luar benda, baik kerja poros atau kerja karena perubahan volum, maka kerja tersebut diberi harga negatif (-)b. Bila benda yang ditinjau menerima kerja dari luar benda, baik kerja poros atau karena perubahan volum, maka kerja tersebut diberi harga positif (+). Jika ditinjau dari kemampuan piston untuk dapat kembali ke posisi semula, maka kerja digolongkan dalam dua jenis yaitu: Kerja reversible (dapat balik) Kerja irrevesibel (tidak dapat balik)Proses reversible (dapat balik) adalah proses ideal yaitu merupakan proses yang setiap saat dapat dibalikan dengan efek sama. Proses ini hanya dapat terjadi bila langkah proses berjalan sangat lamban dan setiap saat terjadi kesetimbangan. Proses ini dapat didekati dengan proses isothermal. Jumlah kerja pada proses reversible adalah:

W = P dV = nRT dV/V W = nRT ln V2/V1Proses irreversible (tidak dapat balik) yaitu perubahan volume dan tekanan berlangsung secara spontan, karena pada ekspansi gas dalam silinder berpiston melawan gaya luar, akibat tekanan luar yang memang konstan selama proses. Secara matematis dituliskan P dV = P dV bila P luar tidak konstan, maka tidak dapat dianggap constan. W = P dV = P (V2 V1)

Contoh Soal 3.1Sebuah tangki berpiston dengan volume 50 liter berisi gas bertekanan awal 12 bar dengan suhu 300 K. Selanjutnya piston bergerak hingga tekanan akhir adalah 1 atm. Hitung:a. kerja reversibleb. kerja irreversible

JawabanDik: Volume awal (V1)= 50 lt atau 0,05 m3 Tekanan awal (P1)= 12 bar atau 12 x 105 PaTekanan akhir (P2)= 1 atm atau 101.300 PaSuhu (T)= 300 KKontanta gas R= 8,314 Pa.m3 /mol KDit.a. kerja reversibleb. kerja irreversibel

Penyelesaian

P1 x V1n = R x T1

12 x 105 x 0,05n = 8,314 x 300

n = 24,056 mol

n R T2V2 = P2

24,056 x 8,314 x 300 V2 = 101.300

V2 = 0,5923 m3

a. Kerja reversible

W = n RT ln V2/V1 = 25,056 x 8,314 x 300 x ln (0,5923/0,05) = 148.320,6 Joule

b. Kerja irreversible

W = P (V2 V1) = 101.300 (0,5923 - 0,05) = 54,935 Joule

g. Energi Dalam Energi yang masuk ke suatu benda akan disimpan oleh benda dalam bentuk energi dalam. Energi dalam yang dimiliki oleh benda merupakan akibat dari perubahan partikel-partikel yang tersimpan dalam bentuk gerakan-gerakan molekul penyusun benda. Oleh sebab itu energi dalam merupakan sifat milik dari benda. Partikel-partikel tersebut selalu dalam keadaan bergerak, baik gerak translasi, rotasi maupun vibrasi. Diantara partikel tersebut terdapat ikatan kimia yang berupa ikatan ionik, ikatan kovalen, ikatan logam dan ikatan Van Der Waals. Secara mikro partikel-partikel tersebut memiliki energi yang disebut energi dalam. Semakin besar benda mengandung energi dalam, semakin cepat gerakan molekul-molekul penyusun benda. Hal ini ditandai dengan semakin panas keadaan benda tersebut, artinya temperatur benda tersebut semakin tinggi. Kandungan energi dalam benda dapat dinyatakan secara total dapat pula dinyatakan per satuan massa benda atau persatuan jumlah mol benda. Dengan demikian besarnya kerja yang masuk ke dalam sistem (W) sama dengan besarnya

W = U + (-Q)U = Q + W Hk Termo I

kenaikan energi dalam sistem (U) ditambah dengan besarnya kalor yang dilepas oleh sistem (-Q). Dalam perhitungan termodinamika, kandungan energi dalam benda umumnya dinyatakan per satuan jumlah mol benda. Secara matematis adalah:Persamaan di atas merupakan bentuk matematis dari hukum pertama termodinamika.

3.3.2 Sistem Lingkungan dan Batasan Sistem Dalam termodinamika sebuah benda atau kumpulan benda yang sedang ditinjau atau diamati disebut sistem. Benda-benda di luar pengamatan (di luar sistem) disebut lingkungan. Batas antara sistem dan lingkungan bisa nyata (dapat dilihat) bisa khayal (imajiner). Batas sistem dan lingkungan tersebut dapat bersifat kaku atau dapat berubah bentuk (fleksibel). Sebagai contoh, sebuah gas dalam silinder berpiston yang dapat bergerak bebas, bila gas dalam silinder tersebut sebagai benda yang akan ditinjau perubahannya, maka batas sistem menjadi nyata yaitu dinding silinder dan piston. Bila piston bergerak sehingga volume dalam silinder membesar atau mengecil, maka batas sistem juga bergerak mengikuti gerakan piston (batas sistem bersifat fleksibel). Dalam termodinamika dikenal tiga jenis sistem yaitu:a. Sistem tertutupb. Sistem terbukac. Sistem terisolasi Sistem tertutup, merupakan sistem dimana benda tidak dapat menembus batas-batas sistem tetapi kalor dapat menembus batas-batas sistem. Sebagai contoh, gas dalam silinder berpiston. Bila gas ditekan maka temperatur dan tekanan gas akan naik. Karena sistem (gas dalam silinder) lebih panas dari lingkungan, maka kalor akan mengalir dari sistem ke lingkungan (kalor menembus batas sistem). Tetapi gas tetap dalam silinder. Sistem terbuka, merupakan suatu sistem dimana benda dan kalor dapat menembus batas-batas sistem. Sebagai contoh, bila silinder berpiston merupakan kompresor udara maka pada saat dimamfatkan, klep buang akan terbuka sehingga udara dengan tekanan tinggi keluar dari sistem. Pada saat volume silinder mengembang, klep isap terbuka sehingga udara dari luar (lingkungan) masuk kedalam sistem, karena udara (benda) dapat menembus batas sistem, maka sistem tersebut merupakan sistem terbuka. Sistem terisolasi, merupakan suatu sistem dimana benda dan kalor tidak dapat menembus batas-batas sistem. Sebagai contoh, gas dalam piston terisolasi sempurna. Bila piston bergerak memampatkan gas, maka temperatur gas akan naik. Karena silinder terisolasi sempurna kalor tidak dapat berpindah dari sistem ke lingkungan, walaupun temperatur sistem lebih tinggi dari temperatur lingkungan. Karena benda dan kalor tidak dapat menembus batas-batas sistem, maka sistem ini merupakan sistem terisolasi.

3.3.3 Sifat Tekanan, Volume dan Temperatur sebagai Fungsi Keadaan Besaran P, V dan T merupakan sifat milik benda, sehingga besaran tersebut digunakan untuk menyatakan keadaan benda. Perubahan harga besaran tersebut menyebabkan keadaan benda berubah. Misalnya sebuah benda mula-mula tekanan, volume dan temperaturnya adalah P1, V1 dan T1 kemudian benda tersebut mengalami perubahan sehingga tekanan, volume dan temperaturnya menjadi P2, V2 dan T2, maka besarnya perubahan P, V dan T dapat dihitung sebagai selisih antara harga besaran P, V dan T pada keadaan akhir dan harga besaran P, V dan T pada keadaan awal. Secara matematis, perubahan tekanan adalah (P2 - P1), perubahan volume (V2 V1) dan perubahan temperatur (T2 T1). Perubahan harga P, V dan T tidak tergantung pada jalannya proses, tetapi bergantung pada keadaan awal dan akhir, oleh sebab itu P, V dan T disebut sebagai fungsi keadaan. Wujud benda senyawa murni (bukan campuran) dapat digambarkan dalam diagram tekanan dan temperatur (diagram P-T lihat gambar 3.2. Karena dalam bidang teknik kimia banyak berhubungan dengan benda dalam wujud cair atau gas, maka pembahasan hanya dibatasi pada keadaan cair dan gas saja. Dalam gambar 3.2, garis penguapan (vaporization curve), dari titik tripel (triple point) sampai titik kritis (C) menggambarkan hubungan titik didih dengan tekanan. Di atas garis penguapan merupakan daerah fasa cair sedangkan di bawah garis penguapan adalah daerah fasa gas yang disebut uap.

Gambar 3.2 Diagram P-T Senyawa Murni

Garis penguapan menunjukan perbedaan sifat fisik yang mencolok antara keadaan cair dan keadaan uap. Semakin ke arah kritis, perbedaan sifat fisik tersebut semakin berkurang dan persis di titik kritis sudah tidak ada perbedaan sifat fisik lagi,. Hal ini dapat dilihat pada gambar 3.3 yaitu diagram tekanan dan volume (diagram P V) untuk fasa cair dan fasa uap. Dalam diagram P V (gambar 3.3) daerah di kiri kubah adalah daerah cair dan di kanan kubah adalah daerah uap dan bila berada di sebelah kanan temperatur kritik (Tc) disebut daerah gas. Daerah dalam kubah adalah daerah campuran uap-cair, puncak kubah merupakan titik kritik. Dalam diagram P V ini terlihat bahwa perubahan pada tekanan tetap dari fasa cair ke fasa uap terjadi perubahan volume yang cukup berarti kecuali mendekati titik kritik.

Gambar 3.3 Diagram P - V Senyawa Murni

Dalam diagram P V terlihat bahwa pada daerah fasa cair, perubahan tekanan dan temperatur tidak menyebabkan perubahan volume benda secara berarti. Tetapi pada daerah fasa uap dan di atas keadaan kritis perubahan tekanan dan temperatur menyebabkan perubahan volume yang cukup berarti. Oleh sebab itu benda pada fasa gas pada keadaan tertentu memiliki hubungan antara tiga besaran fisik P, V, dan T. Secara matematis ditulis sebagai: f(P, V, T) = 0 Persamaan di atas dapat ditulis sebagai: P = f(V, T) atau V = f(P, T) atau T = f(P, V)Berarti bahwa: - P dapat dihitung bila V dan T diketahui - V dapat dihitung bila P dan T diketahui - T dapat dihitung bila P dan V diketahui.

3.3.4 Gas Ideal Gas ideal adalah gas yang molekul-molekulnya sangat berjauhan dan diantara molekul-molekul tersebut tidak terjadi interaksi. Keadaan ini hanya dapat terjadi bila gas memiliki temperatur yang sangat tinggi dan tekanan yang sangat rendah. Untuk Gas ideal, tanpa memperdulikan jenis gasnya, hubungan PVT gas ideal dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut: PV = n RTDimana: n adalah jumlah mol gas dan R adalah konstanta gas universal.Besaran volum dinyatakan dalam volume molar (diberi simbol v) yaitu volum dari 1 mol gas, atau V pada n = 1 mol. Dengan demikian persamaan di atas dapat ditulis: PV = RT Harga kontanta gas universal, R ditentukan oleh satuan P, V, T dan n yang digunakan. Tabel 1.3 memuat harga R pada berbagai satuan

Konversi Harga Konstanta Gas Universal, R

HargaSatuan

0.08205 82.05 8,314 83,14 1,987 0,7302 10,73 1,545 1,986 (liter.atm)/(mol.K) (cm3.atm)/(mol.K)J/(mol.K)(cm3.bar)/(mol.K)cal/(mol.K)(ft3.atm)/(lbmol.R)(ft3.psia)/(lbmol.R)(lbf.ft)/(lbmol.R)Btu/(lbmol.R)

Salah satu penggunaan gas ideal yang telah dikenal adalah menghitung volum 1 mol gas ideal pada keadaan standar atau STP (standard temperature and pressure) yaitu 00C dan 1 atm. Persamaan di atas dapat ditulis menjadi V = RT/nPBila digunakan harga R = 0,08205 (liter.atm)/(mol.K)Maka V = (0,08205)(0 + 273)/(1)(1) = 22,4 liter/molDengan kata lain, volume 1 mol gas ideal pada keadaan standar, yaitu 00C (273 K) dan 1 atm adalah 22,4 liter.

3.3.5 Faktor Kompresibilitas Banyak hubungan PVT untuk gas yang sifatnya tidak mendekati keadaan ideal (disebut dengan gas tak ideal). Semakin rumit hubungan PVT tersebut, umumnya akan memberikan hasil yang cukup memuaskan. Salah satu hubungan yang tidak terlalu rumit untuk gas tak ideal adalah dengan menambahkan faktor kompresibilitas (Z) pada persamaan gas ideal. Hubungan PVT untuk gas tak ideal tersebut adalah: PV = ZnRTatau Pv = ZRT Faktor kompresibilitas untuk gas ideal, (Z = 1). Harga Z dapat ditentukan dari fungsi keadaan bersesuaian yang diberikan dalam bentuk grafik. Dari grafik harga Z dapat diketahui bila tekanan tereduksi (Pr) dan temperatur tereduksi (Tr) dari gas diketahui. Tekanan tereduksi adalah tekanan gas dibagi dengan tekanan kritisnya (Pc). Demikian pula, Temperatrur tereduksi adalah temperatur gas dibagi dengan temperatur kritisnya (Tc), maka: Tr = T/Tc Pr = P/Pc

Gambar 3.4 Grafik Faktor Kompresibilitas

Contoh Soal 3.2Hitung volum molar gas karbondioksida (CO2) pada tekanan absolut 15 atm dan temperatur 250C. Anggap pada keadaan tersebut gas CO2 tidak bersifat ideal.

Jawab:Dik: P = 15 atm dan T = 250C = (25 + 273)K = 298KDari tabel tekanan kritis dan temperatur kritis diperoleh untuk CO2: Tc = 304,2 K Pc = 73,83 atmMaka, Tr = 298/304,2 = 0,98 Pr = 15/73,83 = 0,203

Dengan menggunakan Gambar 3.4 grafik faktor kompresilitas diperoleh harga Z = 0,91 (tidak terlalu jauh dari keadaan ideal Z = 1). Maka dengan memilih harga R = 0,08205 (liter.atm)/(mol.K) diperoleh harga volume molar CO2 v = ZRT/P = (0,91)(0,08205 lt atm/mol K)(298 K)/(15 atm) = 1,483 liter/molDengan kata lain, volum 1 mol gas CO2 pada 250C dan 15 atm adalah 1,483 liter.

3.3.6 Entalpi Entalpi merupakan suatu besaran termodinamika yang didefinisikan secara matematika sebagai:H = U + PV

Karena U dan PV di ruas kanan mempunyai satuan energi, merupakan fungsi keadaan dan merupakan sifat milik benda maka H (entalpi) juga mempunyai satuan energi, merupakan fungsi keadaan dan merupakan sifat milik benda. Seperti halnya energi dalam yang penting adalah harga perubahan entalpi akibat adanya proses perubahan benda. Perubahan entalpi diturunkan dari menjadi persamaan:H = U + (PV)Atau H = U + PV + VP

Contoh soal 3.3Hitung perubahan energi dalam dan entalpi pada proses penguapan 1 kg air pada 100 0C dan 1 atm. Data lain tersedia dalam tabel uap.

Jawab:Dari data termodinamika, tabel uap (intrapolasi data) diketahui:Volume spesifik cairan (Vf)= 1,04 x 10-3 m3/kgVolume spesifik uap (Vg)= 1,6716 m3/kgQ = Kalor penguapan air(hfg)= 2262 kJ/kgProses di atas merupakan sistem tertutup yaitu 1 kg air jenuh berubah jadi uap jenuh yang jumlahnya tetap 1 kg. Proses terjadi pada tekanan tetap 1 atm dan temperatur tetap 100 0C. Dari data tabel uap yang terlihat adalah perubahan volume yang terjadi pengembangan volume. Oleh sebab itu sistem melakukan kerja ke lingkungan (kerja positif). Perhitungan dilakukan dalam satuan SI, maka:P = 1 atm = 1 x 105 N/m2 Besarnya kerja adalah:W = - P (Vg Vf) = - (1 x 105) (1,6716 1,04 x 10-3) = - 168.73 Nm/kg = - 168.73 J/kg = - 168,73 Kj/kg

Proses penguapan memerlukan kalor. Karena itu kalor dipindahkan dari lingkungan ke sistem (kalor positif). Besarnya kalor adalah 2262 KJ/kg (Q)

Menurut hukum termodinamika I, maka U = W + Q = (-168,73) + (2262) = 2093,3 KJ/kg

Menurut difinisi entalpi: H = U + PV + VP, karena tekanan tetap yaitu P = 0, maka

H = U + PV = 2093,3 + (-168,73)H = Q = 2262 KJ/kg Terlihat bahwa besarnya perubahan entalpi sama dengan kalor penguapan. Oleh karena itu kalor yang diperlukan untuk penguapan besarnya sama dengan entalpi penguapan. Data termodinamika dalam bentuk tabel sering menyajikan dalam bentuk entalpi penguapan (tabel uap).

3.3.7 Kapasitas Panas Kapasitas panas suatu benda didefinisikan sebagai besarnya panas yang diperlukan untuk menaikan satu satuan temperatur benda yang banyaknya satu satuan massa atau satu satuan jumlah mol. Secara matematis, kapasitas kalor yang diberi simbol C, ditulis sebagai:

T2Q = n C dT T1 Dengan T1 dan T2 adalah temperature awal dan akhir, n adalah jumlah massa benda bila C persatuan massa atau jumlah mol benda. Karena berbagai satuan energi, temperature dan massa atau jumlah mol maka satuan kapasitas panas juga bermacam-macam.misalnya: J/kg.K, Btu/lb 0F, J/kmol K atau Btu/lbmol.0F.

Bila digunakan persatuan jumlah mol maka dinamakan kapasitas panas molar.Ada dua jenis kapasitas panas, yaitu:1. kapasitas panas pada volum tetap, diberi simbol Cv2. kapasitas panas pada tekanan tetap, diberi simbol CpSecara matematis kedua kapasitas panas tersebut ditulis sebagai:

T2Q = n Cv dT T1

T2Q = n Cp dT T1

Kapasitas panas suatu benda harganya bergantung pada temperatur benda tersebut. Lampiran 2 adalah kapasitas panas pada tekanan tetap Cp dari beberapa gas ideal dan pada beberapa temperatur. Kapasitas panas pada volume konstan berlaku untuk proses perubahan yang terjadi pada volume konstan. Menurut hukum pertama termodinamika, bila V = 0, maka W = 0, sehingga U = QDengan demikian, maka : T2U = n Cv dT T1

Kapasitas panas pada tekanan kontan berlaku untuk proses perubahan yang terjadi pada tekanan konstan. Pada proses ini dapat terjadi kerja yang disebabkan perubahan volume, maka kerja tersebut adalah W = -PVMenurut hukum pertama termodinamika U = W + Q = -PV + QAtau Q = U + PV = H

Dengan demikian maka

T2H = n Cp dT T1

Persamaan di atas menunjukan perubahan besarnya energi dalam akibat perubahan temperature benda.Untuk gas ideal hubungan harga Cp dan Cv dapat dinyatakan dengan persamaan:

Cp = Cv + R

Dengan menggunakan Cp rata-rata, persamaan dapat ditulis: H = n Cp (T2 T1) Dalam perhitungan entalpi temperatur reference (patokan) yang digunakan adalah 25 0C atau 77 0F, maka harga Cp rata-rata antara 25 0C hingga temperatur T untuk berbagai gas telah ditabelkan atau dibuat grafiknya sehingga memudahkan perhitungan. Lampiran 1 adalah harga kapasitas panas molar rata-rata, Cp rata-rata berbagai gas ideal antara temperatur 77 0F dan t 0F. Harga Cp rata-rata tersebut diberikan dalam satuan kal/(mol.0C) atau Btu/(lbmol.0F).

Contoh soal 3.4Hitung perubahan entalpi 300 mol uap ammonia yang mengalami pemanasan dari temperatur 77 0F menjadi 800 0F.

PenyelesaianDik: n = 300 mol ammonia T1 = 77 0F T2 = 800 0FDit : HJawab Dari grafik 1. ammonia (NH3) harga Cp rata-rata antara 77 0F menjadi 800 0F adalah Cp 11 Btu/(lbmol 0F), Maka perubahan entalpi H = n Cp (T2 T1) = (300 mol) (11 kal/mol 0F)[(800 77 ) 0F 32 (5/9)] = 1.266.833 kal = 1.266,8 Kkal

3.4 Rangkuman1. Hukum termodinamika pertama disebut juga hokum kekekalan energi2. Energi dapat berupa energi potensial, kinetic, listrik, kimia, panas dan kerja3. Variabel suhu, tekanan, volume, energi dalam dan entalpi disebut sebagai fungsi keadaan. Panas dan kerja bukan merupakan fungsi keadaan4. Proses yang berlangsung pada volume konstan, menghasilkan perubahan energi dalam. Proses yang berlangsung pada tekanan konstan dapat menghasilkan perubahan energi

3.5 Latihan1. Mengapa panas dan kerja bukan merupakan fungsi keadaan2. Jelaskan secara ringkas konsep entalpi3. 5 mol udara (dianggap gas ideal) dengan suhu 25 0C, tekanan 1 atm, dimasukan ke dalam tabung berpiston dengan diameter 55 cm. Udara tersebut dipanaskan hingga entalpi gas bertambah 5,5 KJ dan piston bergerak sejauh 40 cm. Hitung perubahan energi dalamnya.4. Hitung perubahan energi dalam dan entalpi proses penguapan 1,5 kg air pada 130 0C dan 1 atm. Data lain tersedia dalam tabel uap.5. Hitung perubahan entalpi 250 mol uap SO2 yang mengalami pemanasan dari temperatur 77 0F menjadi 700 0F.